Membranes ultralégères pour véhicules flottant dans l’air

Comment mener des explorations aériennes dans des environnements souterrains ou encombrés, où les drones ont du mal à naviguer et où les humains ne peuvent se rendre en toute sécurité?

Cette question a mené à des recherches sur la conception et la fabrication d’une membrane robuste mais ultralégère, permettant à des véhicules plus légers que l’air de se déplacer en toute sécurité parmi les obstacles, tout en transportant des charges utiles dans des espaces confinés. Nous avons étudié comment les films polymères délicats peuvent rester souples, réparables et réactifs même sous contrainte mécanique grâce à un procédé combinant expérimentation des matériaux, analyse structurelle et fabrication itérative.

Nous avons ensuite testé notre prototype (un dirigeable d’intérieur rempli d’hélium) dans la grotte Saint-Léonard de Montréal en septembre 2024, où son enveloppe souple et translucide a réagi aux courants d’air, à l’humidité et à la pression par de subtiles pulsations. Dans un tel environnement, la fonction technique et la perception esthétique se confondent : la résilience structurelle devient un rythme visible, et la physique de la flottabilité prend la cadence tranquille de la respiration.

Description du projet

À l’instar des siècles de recherches consacrés à la maîtrise des cieux, il y a eu un besoin parallèle d’explorer les vastes espaces oubliés sous nos pieds, les cavités souterraines et les intérieurs architecturaux, où l’air, la gravité et la lumière se comportent différemment. Pour naviguer en toute sécurité dans ces environnements fragiles, le vol devait être doux, lent et adaptatif, soutenu par des matériaux capables de supporter le contact et la compression plutôt que de leur résister.

Les aérostats extérieurs sont conçus pour résister aux charges du vent, aux rayons ultraviolets et à des gradients thermiques importants; ils privilégient la stabilité aérodynamique, la résistance aux intempéries et les capacités élevées de charge utile. Les missions intérieures et souterraines, en revanche, exigent une approche radicalement différente. Elles se déroulent dans des environnements confinés, sans GPS, où les murs, les stalactites et les passages étroits laissent peu de marge de manœuvre. Dans ces conditions, la sécurité et la maniabilité priment sur l’efficacité aérodynamique. Les conceptions doivent privilégier l’extrême légèreté, la réactivité optimale et la tolérance aux chocs, tout en respectant des contraintes de masse strictes qui limitent la capacité de charge utile. Les applications typiques comprennent la cartographie, l’inspection et l’interaction homme-robot dans les intérieurs architecturaux et naturels, où les drones à hélices échouent souvent.

Ces contraintes environnementales, structurelles et opérationnelles ont donné lieu à une nouvelle réflexion : comment créer une enveloppe de dirigeable ultralégère et étanche à l’air, suffisamment résistante pour permettre un vol autonome délicat dans des environnements souterrains ou industriels? Les matériaux existants ou les films commerciaux, tels que le polyuréthane (PU) et le Mylar, sont trop rigides, trop lourds ou trop perméables aux gaz pour de telles conditions. Le défi exigeait une véritable innovation matérielle.

Création d’une membrane ultralégère

Ces recherches ont abouti à la création d’une nouvelle membrane ultralégère en PEBD avec un revêtement sol-gel adapté, élaborée dans le cadre du projet VELUM (Vehicle Envelope with Lightweight Ultrafilm for Minimal Leakage) et désormais protégée par une demande de brevet déposée par l’ÉTS. L’objectif était de conserver la souplesse et la pliabilité du polyéthylène fin tout en améliorant considérablement la rétention d’hélium et la durabilité de la surface.

Pour comprendre son comportement, le matériau a été soumis à une série d’expériences en laboratoire. Chaque test portait sur une question spécifique concernant la faisabilité du vol et comment ses principaux comportements différaient de ceux des matériaux conventionnels sur le marché :

• Quelle est sa résistance? Des essais de traction, de perforation et de déchirure ont étiré les films jusqu’à leur rupture, révélant ainsi les différentes façons dont chaque matériau (PEBD, polyuréthane (PU) et Mylar) se rompait. Le PEBD s’étirait progressivement avant de se déchirer, tandis que le PU et le Mylar se rompaient brusquement, démontrant leur rigidité et leur fragilité.
• Comment réagit-il à la pression interne? Des expériences d’éclatement consistaient à gonfler de petits coussins hermétiques jusqu’à ce qu’ils explosent. Ces tests ont reproduit les contraintes subies par un dirigeable en vol et ont confirmé que le nouveau film pouvait tolérer une tension superficielle élevée sans perdre sa flexibilité.
• Peut-il retenir les gaz? Des tests de fuite à long terme ont permis de comparer les pertes d’hélium pour les trois films. Le PEBD enduit a conservé son volume beaucoup plus longtemps que le PU, prouvant ainsi que son revêtement barrière colmatait efficacement les pores microscopiques du polymère de base.
• Peut-il résister à la manipulation et au pliage? Les essais de durabilité ont reproduit les actions répétées d’emballage, de transport et de regonflage d’un dirigeable. Alors que le Mylar se froissait souvent de manière permanente et que les couches de PU collaient entre elles sous l’effet de l’humidité, le PEBD enduit retrouvait sa forme après plusieurs cycles.
• Comment sa surface interagit-elle avec l’eau? L’observation des gouttelettes à la surface a révélé que le revêtement conservait un angle de contact élevé, l’eau perlant plutôt que de s’étaler, démontrant que la membrane résisterait à l’humidité et à la condensation dans des environnements humides comme les grottes.

Ensemble, ces observations ont révélé non seulement la résistance mécanique, mais aussi les propriétés matérielles du PEBD enduit : souple mais solide, transparent mais protecteur. Il alliait la légèreté nécessaire pour un vol intérieur contrôlé à la résistance requise pour une utilisation répétée.

Comparé aux matériaux traditionnels utilisés pour les enveloppes extérieures, souvent épais, rigides et surdimensionnés pour les conditions intérieures, ce nouveau film offrait un compromis équilibré, facile à manipuler, rapide à réparer et visuellement discret lorsque gonflé.

Du laboratoire au terrain

Après une validation approfondie en laboratoire, nous avons intégré la nouvelle membrane dans un prototype de dirigeable fonctionnel aux fins d’essais sur le terrain. Cette phase visait à évaluer les performances, les propriétés, la flexibilité, la rétention de gaz et la résilience du matériau dans des conditions environnementales réelles.

Dans ces conditions, les drones traditionnels atteignent rapidement leurs limites : les turbulences causées par les hélices dispersent la poussière et les gouttelettes, la faible autonomie des batteries limite leur endurance et les signaux GPS sont inexistants. La solution plus légère que l’air du système Cavernautes, créée à partir de la nouvelle membrane, a donné un vol silencieux, stable, durable et à faible impact au-dessus de la surface de l’eau, maintenant l’altitude en toute sécurité grâce à la régulation de la pression interne et à un système de commande léger spécialement conçu pour la navigation LTA (Lane Tracing Assist). La peau souple et flexible de l’enveloppe permettait un contact doux avec les parois de la grotte sans les endommager, tandis que sa meilleure rétention d’hélium assurait la stabilité du vol pendant plusieurs heures.

La mission a démontré non seulement le succès technique du matériau, mais aussi ses dimensions esthétiques et expérientielles. Sous les projecteurs et les faibles reflets de la grotte, le film semi-transparent révélait des couches de plis et de pulsations, la pression interne fluctuant avec la température et le mouvement. Ces motifs vivants faisaient écho visuellement aux processus physiques de la grotte elle-même, à l’air, à l’humidité et au temps, transformant l’expérience technique en une rencontre sensorielle.

Au-delà de l’exploration des grottes, cette technologie membranaire ouvre la voie à de nouveaux types de systèmes aériens d’intérieur destinés à l’inspection, à la documentation et à l’interaction homme-robot, où une consommation d’énergie minimale, de faibles niveaux sonores et un contact doux sont essentiels. Elle représente une avancée concrète vers un vol durable et adapté au contexte, une réalisation fondée sur la mécanique empirique mais ouverte à l’interprétation artistique. 

Remerciements

Ce projet a été réalisé au laboratoire INIT Robots de l’École de technologie supérieure (ÉTS), sous la supervision des professeurs David St-Onge et Ilyass Tabiai (laboratoire LIPEC). Il a reçu le soutien du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT, subvention d’équipe n° 283381) et la collaboration de NXI Gestatio (professeur Nicolas Reeves) de l’UQAM, dans le cadre d’une initiative de recherche-création en arts. L’autrice tient également à remercier le groupe de recherche Cavernautes

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