Le moteur Stirling, un moteur à air chaud breveté en 1816

1816 : un pasteur contre les chaudières

Au début du XIXe siècle, la machine à vapeur fait tourner les usines, mais elle a un défaut terrible : ses chaudières explosent. Les tôles cèdent sous la pression, et les accidents sont fréquents et meurtriers.

Robert Stirling, jeune pasteur de l'Église d'Écosse, dépose en 1816 le brevet d'une tout autre machine. Elle ne fait pas bouillir d'eau. Elle chauffe de l'air, enfermé une fois pour toutes dans le moteur, et le fait travailler en le chauffant puis en le refroidissant à tour de rôle. La pression reste modeste, il n'y a rien à faire exploser. Avec son frère James, ingénieur, il perfectionnera la machine pendant des décennies.

Le cycle : quatre temps, un gaz enfermé

Un moteur à essence aspire de l'air, y brûle du carburant, puis rejette les gaz. Le moteur Stirling ne fait rien de tout cela. Son gaz ne sort jamais : c'est la même quantité d'air, ou d'hélium dans les versions modernes, qui travaille indéfiniment. La chaleur vient de l'extérieur, à travers une paroi : une flamme, le soleil, n'importe quelle source chaude. Un côté du moteur est chauffé, l'autre est refroidi.

Le cycle idéal enchaîne quatre temps :

• chauffage : le gaz passe du côté chaud sans changer de volume, sa pression monte ;
• détente : le gaz chaud se dilate et pousse le piston de travail, c'est le temps moteur ;
• refroidissement : le gaz passe du côté froid, sa pression chute ;
• compression : le gaz froid se laisse comprimer facilement, ce qui coûte moins d'effort que la détente n'en a fourni.

La différence entre l'effort récolté à chaud et l'effort dépensé à froid, c'est le travail utile. Plus l'écart de température est grand, plus le moteur est puissant.

Le déplaceur et le piston de travail

Comment faire passer le gaz du chaud au froid, et inversement, des centaines de fois par minute ? Avec un deuxième piston, le déplaceur. Il ne comprime rien : il est plus étroit que son cylindre et se contente de pousser l'air d'un bout à l'autre. Quand il descend, l'air monte côté chaud ; quand il monte, l'air redescend côté froid.

Le piston de travail, lui, récolte l'effort. Les deux sont reliés au même vilebrequin, avec un quart de tour de décalage : le déplaceur prépare le gaz, le piston de travail l'exploite un temps plus tard. Ce décalage de 90 degrés est le cœur du réglage. Sans lui, le cycle ne tourne pas.

Les ingénieurs ont décliné ce principe en trois familles. La version alpha utilise deux pistons de travail dans deux cylindres, l'un chaud, l'autre froid. La version bêta loge déplaceur et piston dans le même cylindre. La version gamma les sépare dans deux cylindres reliés. Toutes obéissent au même cycle.

Le régénérateur, la vraie invention

Le brevet de 1816 ne protège pas seulement un moteur. Il décrit surtout ce que Stirling appelle un « économiseur », aujourd'hui le régénérateur : une masse de fils fins ou de grillage placée sur le chemin du gaz, entre le côté chaud et le côté froid.

Quand le gaz chaud part vers le côté froid, il traverse cette masse et lui abandonne sa chaleur. Quand il revient, il la récupère au passage. La chaleur, au lieu d'être perdue à chaque cycle, fait des allers-retours dans le moteur. Sur le papier, un cycle de Stirling doté d'un régénérateur parfait atteint le rendement maximal que la physique autorise entre deux températures, celui de Carnot. Aucun moteur réel n'y arrive, mais l'idée était brillante dès 1816.

Pourquoi il n'a pas gagné la course

Des milliers de petits moteurs à air chaud ont pompé de l'eau et fait tourner des ventilateurs au XIXe siècle. Mais pour mouvoir une voiture, le Stirling a de vrais handicaps. Il met du temps à démarrer, le temps que le côté chaud chauffe. Il change mal de régime : on ne règle pas une flamme extérieure aussi vite qu'une injection d'essence. Et pour sa puissance, il reste lourd.

Le moteur à combustion interne l'emporte donc. Le Stirling ne disparaît pas pour autant : le groupe néerlandais Philips le relance dans les années 1930 pour produire de l'électricité, et en poursuit le développement pendant plusieurs décennies.

Aujourd'hui : là où le silence compte

Ses défauts pour la route deviennent des qualités ailleurs. Pas d'explosions dans les cylindres, donc très peu de bruit et de vibrations : depuis les années 1990, des sous-marins suédois de la classe Gotland naviguent en plongée grâce à des moteurs Stirling, sans avoir à remonter respirer. N'importe quelle chaleur fait l'affaire : des centrales solaires concentrent les rayons sur la tête chaude d'un Stirling.

Et le cycle est réversible. Entraînez un vrai moteur Stirling étanche avec un autre moteur, et il pompe la chaleur : un côté se refroidit, l'autre se réchauffe. Des cryorefroidisseurs Stirling refroidissent ainsi des capteurs infrarouges à des températures très basses. La NASA a même développé un générateur Stirling pour ses sondes spatiales, avant d'abandonner le programme en 2013.

Sur votre bureau

Notre Moteur Stirling Démonstrateur est une maquette pédagogique : on ne la chauffe pas, on la fait tourner à la main pour voir ce que fait chaque pièce. Volant, vilebrequin, déplaceur et piston de travail, avec le quart de tour d'écart du moteur réel. Cent dix pièces, seize centimètres de long, un montage classé avancé.

C'est le modèle à monter quand on veut enfin comprendre le cycle qu'on a croisé en cours de physique, et le voir tourner sous ses yeux.