Pluie verglaçante, neige lourde et gorgée d’eau, cycles de gel et de dégel : dans le contexte des changements climatiques, ces phénomènes deviennent plus fréquents et plus intenses. Et, surtout, ils provoquent des conditions de givrage à la fois plus sévères, plus persistantes et plus difficiles à anticiper.
Malgré les progrès technologiques, le givrage demeure une cause récurrente d’incidents et d’accidents graves en aviation.
Par exemple, en août 2024, l’équipage d’un ATR-72 a perdu le contrôle de l’appareil près de Campinas, au Brésil. La cause : une accumulation rapide de glace durant le vol, ce qui a mené à un décrochage, puis à un impact au sol. Toussles occupants ont péri.
En 2020, un Dash-8 qui était sur le point de se poser à l’aéroport de Bergen, en Norvège, a subi une perte totale de puissance. De la glace s’était détachée de l’avion et avait pénétré dans les moteurs, ce qui a mis en lumière la vulnérabilité persistante des systèmes propulsifs en conditions de givrage sévère.
Plus récemment, en 2021, un Embraer Phenom 100 a effectué une sortie de piste à l’aéroport du Bourget, près de Paris, après un décrochage dû à une contamination par la glace lors de l’approche. Autre preuve que le givrage demeure un risque critique, tant en vol qu’au sol, même pour des aéronefs modernes.
Depuis de nombreuses années, la façon de lutter contre le givrage se résume à deux grandes méthodes complémentaires : le dégivrage et l’antigivrage. Le dégivrage vise à éliminer la glace déjà formée. Quant à l’antigivrage, son objectif est d’empêcher ou de retarder la formation de glace.
Ces méthodes se déclinent principalement en solutions actives et passives.
Les solutions actives reposent sur un apport externe d’énergie ou de matière : pensons par exemple à une forme de chauffage électrique, d’air chaud prélevé sur les moteurs, de systèmes pneumatiques ou encore de fluides chimiques capables de supprimer ou de limiter l’accumulation de glace. Ces solutions demeurent aujourd’hui largement déployées et certifiées. En contrepartie, elles engendrent des coûts énergétiques, environnementaux et opérationnels significatifs.
À l’inverse, les solutions passives agissent sans apport direct d’énergie. Elles modifient plutôt les propriétés de surface et les interactions physico-chimiques à l’interface glace–substrat afin de retarder la nucléation de la glace.
Dans ce contexte, la recherche sur les matériaux et les revêtements antigivre ne vise pas uniquement l’amélioration de la sécurité aéronautique. Elle constitue également un levier structurant de sobriété énergétique et de décarbonisation des opérations en environnement froid. Plus précisément, la recherche réduit la dépendance aux systèmes énergivores et l’usage intensif de produits chimiques.
Avant d’aborder en détail les différentes stratégies de lutte contre le givrage et les développements récents en matière de matériaux glaciophobes, il est essentiel de rappeler brièvement les mécanismes physiques à l’origine de la formation de glace, tant en vol qu’au sol.
Givrage en vol et au sol : rappels physiques essentiels
Le givrage résulte principalement de la présence de gouttelettes d’eau surfondue, capables de rester liquides à des températures bien inférieures à 0°C. Lorsqu’elles entrent en contact avec une surface froide, leur état métastable est rompu et la glace se forme. Selon les conditions de transfert thermique, différentes morphologies peuvent apparaître : givre blanc, glace transparente ou givre mixte. Chacune de ces morphologies a des effets distincts sur les structures.
En vol, l’accumulation de glace modifie le profil aérodynamique des surfaces portantes, entraînant une perte de portance, une augmentation de la traînée et une dégradation de la stabilité. Ces effets peuvent conduire à des situations critiques, en particulier lors des phases de montée, d’approche et d’atterrissage.
Au sol, la glace et la neige contaminent simultanément les aéronefs, les pistes et les voies de circulation. Cette contamination compromet directement la sécurité du décollage et de l’atterrissage en dégradant l’adhérence pneu–piste et en augmentant significativement les distances de freinage.
Ces mécanismes physiques complexes ont historiquement conduit au développement de solutions technologiques appropriées, aujourd’hui regroupées sous l’expression « méthodes actives et passives de lutte contre le givrage ».
Des solutions efficaces mais énergivores
Les solutions actives constituent aujourd’hui la première ligne de défense contre le givrage, tant en vol qu’au sol.
En vol, elles incluent principalement :
- le dégivrage électrothermique;
- le dégivrage par air chaud prélevé des moteurs;
- certains systèmes pneumatiques.
Ces technologies sont efficaces et certifiées, mais elles s’accompagnent d’impacts négatifs importants en termes de consommation énergétique, de masse, de complexité d’intégration et d’entretien. Ces contraintes deviennent particulièrement critiques pour les hélicoptères, les drones et les aéronefs électrifiés, ces derniers possédant une capacité énergétique limitée.
Au sol, la protection des aéronefs repose largement sur l’utilisation de fluides dégivrants et antigivre à base d’eau et de glycol (éthylène glycol et propylène glycol), classés par types (I à IV).
Les fluides de type I sont utilisés pour le dégivrage, tandis que les types II, III et IV permettent de retarder temporairement la reformation de la glace avant le décollage — ce qu’on appelle la notion de holdover time. Bien que ces fluides soient indispensables à la sécurité, leur efficacité est temporaire. Ils dépendent fortement des conditions météorologiques. Ils sont aussi associés à des enjeux environnementaux en raison de leur usage intensif.
Cette réalité opérationnelle au sol met en lumière un autre volet critique de la problématique hivernale : la gestion du givrage directement sur les infrastructures aéroportuaires.
Givrage au sol : enjeu critique sur les pistes
Si le givrage en vol est souvent perçu comme le risque le plus critique, le givrage au sol constitue un enjeu tout aussi important pour la sécurité et la continuité des opérations aériennes, en particulier dans les régions nordiques. La contamination des pistes par la glace, la neige humide, la bruine ou la pluie verglaçante dégrade l’adhérence pneu–piste, augmente les distances de freinage et accroît le risque de sortie de piste.
La gestion hivernale des pistes repose sur une combinaison de déneigement mécanique et de produits dégivrants et antigivre, principalement non chlorés, afin de limiter la corrosion des aéronefs et des infrastructures.
Les composés les plus utilisés sont :
- les acétates, notamment l’acétate de potassium et l’acétate de sodium;
- les formiates, tels que le formiate de potassium ou de sodium.
Les acétates offrent une forte capacité de fonte initiale. Les formiates, quant à eux, présentent une meilleure endurance antigivre, une corrosivité réduite et un profil environnemental plus favorable. Toutefois, leur efficacité demeure temporaire et nécessite des applications répétées lors d’épisodes prolongés de pluie verglaçante ou de cycles gel-dégel, entraînant des coûts élevés et des enjeux environnementaux liés à leur dispersion. Ainsi, 86 % des aéroports en Amérique du Nord utilisent l’acétate de potassium, 41 % le formiate de sodium et seulement 14 % l’acétate de sodium.
En parallèle, mes travaux ont également porté sur la prédiction de l’endurance des fluides antigivre en conditions de neige, incluant des essais réalisés avec de la neige artificielle en laboratoire, afin de mieux anticiper les marges de sécurité opérationnelles.
Des pistes chauffantes?
Face aux limites des solutions chimiques, la recherche s’oriente de plus en plus vers des solutions intégrées directement au matériau de chaussée : bétons enrobés et modifiés avec additifs antigivre, surfaces visant à réduire l’adhésion glace–piste, ou encore pistes chauffantes à base de bétons et de géopolymères conducteurs. Ces approches visent à améliorer la durabilité des infrastructures, à réduire la dépendance aux produits chimiques et à renforcer la sécurité des opérations hivernales.
Que l’on parle d’aéronefs en vol, d’opérations au sol ou d’infrastructures, un point commun ressort : les approches actuelles reposent fortement sur l’énergie et la chimie. Cette forte dépendance explique l’intérêt croissant pour les solutions passives, capables d’agir en amont du phénomène de givrage.
Des solutions passives qui deviennent incontournables
L’augmentation des contraintes énergétiques, environnementales et opérationnelles met aujourd’hui en évidence les limites des solutions actives traditionnelles. Leur utilisation continue ou répétée entraîne une consommation élevée d’énergie. Cette consommation est parfois difficilement compatible avec les objectifs de réduction des émissions de CO2, de même qu’avec les architectures aéronautiques de nouvelle génération, de plus en plus contraintes en puissance, en masse et en gestion thermique.
La transition vers des aéronefs plus légers, électrifiés et à forte efficacité énergétique accentue ces limites. La disponibilité de puissance, la masse ajoutée des systèmes, les contraintes d’entretien et la fiabilité constituent désormais des verrous majeurs pour l’intégration de solutions antigivre classiques, en particulier pour :
- les hélicoptères légers et moyens;
- les drones et les aéronefs sans pilote;
- les futurs concepts de mobilité aérienne avancée (AAM).
Dans ce contexte, les solutions passives gagnent en importance car elles permettent d’agir sur le givrage sans recourir à un apport continu d’énergie. Contrairement aux systèmes actifs, elles reposent sur la modification des propriétés physico-chimiques et mécaniques de la surface exposée, afin d’influencer les phénomènes de mouillage, de nucléation et d’adhésion de la glace. Parmi ces approches, les matériaux et revêtements glaciophobes se distinguent et sont particulièrement prometteurs pour réduire la sévérité du givrage et compléter efficacement les systèmes conventionnels.
Une surface glaciophobe se définit comme une surface dont les propriétés physico-chimiques et mécaniques permettent à la fois de retarder la nucléation et la formation de la glace, de réduire l’adhésion glace–substrat, et de repousser ou mobiliser l’eau liquide à l’interface, limitant ainsi l’accrétion de glace.
En agissant en amont du phénomène de givrage, ces approches pourraient permettre de diminuer la sévérité des conditions et de réduire la sollicitation des systèmes actifs, ouvrant la voie à des stratégies de gestion du givrage plus sobres en énergie et mieux adaptées aux exigences de l’aéronautique de demain.
Quand la nature inspire des matériaux « glaciophobes »
Les matériaux glaciophobes et les revêtements antigivre constituent aujourd’hui l’un des axes de recherche les plus prometteurs pour la gestion du givrage. Leur objectif n’est pas nécessairement d’empêcher totalement la formation de glace, mais de retarder la nucléation, de réduire l’adhésion de la glace et de faciliter son détachement sous des charges aérodynamiques ou mécaniques modérées.
Une part importante de mes travaux de recherche s’appuie sur l’observation et la transposition de mécanismes naturels de faible adhésion, tels que ceux observés sur la feuille de lotus ou sur certaines plantes carnivores à surfaces glissantes. Dans ces systèmes naturels, la micro- et nano-structuration de la surface, combinée à une chimie de surface spécifique, limite l’ancrage des contaminants et favorise leur mobilité. Ces principes ont constitué un cadre conceptuel central dans le développement de mes revêtements glaciophobes, en particulier pour des applications exposées à des conditions hivernales sévères.
Dans cette même logique d’inspiration issue de la nature, j’ai exploité l’analogie avec le patinage sur glace pour guider la conception de surfaces antigivre avancées. Lors du patinage, le mouvement et la pression induisent localement la formation d’une couche quasi-liquide à l’interface, favorisant le glissement et réduisant fortement le frottement. Ce mécanisme interfacial a été transposé dans mes travaux au niveau des matériaux, en tirant parti de propriétés viscoélastiques et d’une chimie de surface adaptée, afin de favoriser la dissipation des contraintes interfaciales et de limiter l’ancrage mécanique de la glace..
Ces concepts ont été concrètement mis en œuvre dans le développement de revêtements polymériques à base de PDMS, de polyuréthanes, de silicones et d’époxys modifiés. Dans ces systèmes, la glaciophobie ne repose pas sur un paramètre unique, mais sur un couplage synergique entre chimie de surface, propriétés mécaniques et dynamique interfaciale. Cette approche permet de dépasser les limites des surfaces purement superhydrophobes, souvent peu durables en conditions réelles, et d’aboutir à des solutions plus robustes et compatibles avec des contraintes industrielles.
Sur la base de ces travaux fondamentaux et appliqués, mes recherches ont naturellement évolué vers le développement de revêtements glaciophobes dits « intelligents » ou activables, capables de répondre à divers stimuli externes, notamment la température, la lumière, les sollicitations mécaniques, ainsi que des champs électriques et magnétiques. Ces revêtements prolongent les approches passives en introduisant des mécanismes adaptatifs ciblés, tout en conservant une action prioritaire à l’interface glace–substrat. Ils constituent ainsi un maillon clé des stratégies hybrides que je développe, combinant performance antigivre, durabilité et sobriété énergétique.
L’illustration ci-dessus regroupe une famille de solutions passives et activables visant à contrôler l’interaction glace–surface par des mécanismes complémentaires. Ils incluent des revêtements autolubrifiants (SLIPS et formules aqueuses), des revêtements autocicatrisants, des matériaux à changement de phase (PCM) et des revêtements thermo-réactifs, pouvant être couplés à des systèmes de dégivrage électromécaniques, piézoélectriques, électrosensibles ou magnétosensibles.
En agissant à l’interface glace–substrat, ces approches permettent de réduire l’adhésion de la glace, de retarder sa nucléation et de faciliter son détachement sous des sollicitations mécaniques ou des stimuli externes, tout en limitant la dépendance aux systèmes de dégivrage actifs énergivores.
Le passage du laboratoire au terrain reste toutefois l’épreuve décisive. C’est là que l’applicabilité industrielle devient un critère central.
Des matériaux en mission réelle
La maturité d’une solution se mesure à sa capacité à être déployée dans des contextes réels et critiques. Mes travaux ont ainsi été appliqués à des systèmes aéronautiques opérationnels, notamment dans le cadre du projet d’envergure IDEeS avec la Défense nationale intitulé « Brisez la glace — des solutions au sol pour éliminer les contaminants gelés des aéronefs » et qui visait la protection des rotors d’hélicoptères Bell 412 utilisés en missions critiques.
L’objectif n’était pas de remplacer les systèmes actifs certifiés, mais de les compléter par des revêtements capables de réduire l’adhésion de la glace et d’en retarder la formation. Cette approche permet d’augmenter la tolérance au givrage, de réduire la demande énergétique et d’améliorer la robustesse opérationnelle dans des situations où le facteur temps est déterminant et où des vies humaines peuvent être en jeu.
Ces retours d’expérience en conditions réelles renforcent la pertinence d’approches hybrides, où les matériaux contribuent directement à la réduction de la consommation énergétique.
Vers une approche hybride et sobre en énergie
L’ensemble de ces travaux converge vers un constat clair : la gestion du givrage repose sur une approche hybride, combinant solutions actives et matériaux passifs. Cette approche permet de réduire la consommation énergétique, de limiter l’usage de produits chimiques, d’augmenter la résilience des systèmes face à des conditions climatiques plus sévères et de contribuer à la décarbonation des opérations aéronautiques.
Un levier discret mais structurant pour l’aéronautique
La décarbonisation de l’aéronautique ne repose pas uniquement sur les carburants alternatifs ou l’électrification des propulsions. Elle passe aussi par la réduction des besoins énergétiques et chimiques associés aux opérations, en particulier en environnement froid.
Dans ce contexte, les matériaux et revêtements glaciophobes jouent un rôle stratégique. En agissant directement à l’interface glace–surface, ils permettent de retarder la formation de la glace, de réduire son adhésion et de faciliter son détachement sous des sollicitations mécaniques modérées. Cette action en amont du phénomène de givrage diminue la sévérité des conditions rencontrées et, par conséquent, la sollicitation des systèmes actifs de dégivrage.
Un phénomène complexe à combattre
Le givrage est un phénomène complexe qui ne peut être combattu par une solution unique. En combinant méthodes actives, fluides antigivre et matériaux glaciophobes innovants, il devient possible de concevoir des stratégies plus robustes, plus sobres en énergie et mieux adaptées aux réalités climatiques actuelles.
À travers ces travaux, l’objectif est clair : faire des matériaux un levier central de sécurité, de performance et de durabilité pour l’aéronautique nordique.
Références et liens Web
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