Moteur à commutation lumineuse
Mendocino motor

Nous avons vu avec les moteurs à impulsion diverses manières de réaliser un moteur à commutation, où un courant est régulièrement interrompu pour obtenir un mouvement répétitif. Un interrupteur (par exemple un relais reed) ou un capteur magnétique permet de réaliser les interruptions.

L'idée d'utiliser directement la lumière pour réaliser une commutation fut proposée dans le brevet US2919358 déposé en 1955 par W. A. Marrison, "Apparatus for converting radiant energy to electromechanical energy".

Daryl Chapin le proposa dans un kit d'expérimentation sur l'énergie solaire en 1962 par les Bell Labs, les cellules solaires modernes y ayant été inventées en 1954.

L'idée est très simple et lumineuse (évidemment) : non seulement l'énergie est apportée sous forme de lumière convertie en électricité par la cellule solaire, qui sera injectée dans une bobine soumise à un champ magnétique, mais en plus, du fait de la rotation, la cellule solaire est alternativement exposée à la lumière (du courant est produit), puis à l'ombre (pas de courant).

Dans sa version la plus simple, deux cellules solaires sont connectées tête-bêche à une bobine plongée dans un champ magnétique. Les deux cellules ne sont jamais éclairées en même temps (avec la même intensité), en simplifiant, un côté est au soleil tandis que l'autre est à l'ombre. Cela génère un champ magnétique qui va s'aligner avec celui produit par les aimants.

Dans un moteur "normal", il faudrait inverser le courant lors du demi-tour pour que le champ soit de nouveau aligné, et c'est le rôle des balais (souvent en charbon) placés sur l'axe. Leur usure est néfaste, comme on peut s'en douter, et cela provoque des étincelles.

Dans le moteur à lumière commutée, les deux bobines étant connectées tête-bêche, le sens du courant sera inversé à chaque demi-tour, afin de retrouver le même alignement.

Ce qui est formidable, c'est qu'aucune électronique n'est requise. Pas de transistor, pas de capteur !

En augmentant le nombre de bobines et de cellules solaires, on aura un fonctionnement plus doux et plus puissant, vu que l'on multiplie la collection d'énergie. On peut également utiliser une seule cellule pour une bobine, mais on perdra la moitié de la puissance.

L'énergie apportée via la lumière est très faible, et pour que ce système fonctionne, il faut éliminer autant que possible tous les frottements, comme cela a été décrit à propos des moteurs à impulsion (pulse motors).

À très basse vitesse, c'est le frottement de l'axe qui est prépondérant, aussi on utilisera :

• Un roulement à bille.
• Une aiguille reposant sur une surface dure, optionnellement attirée par un autre aimant. Personnellement, j'ai utilisé une pointe de stylo à bille. Si vous pouvez utiliser un rubis (corindon) comme pour les montres pour la surface dure, c'est encore mieux.

À plus haute vitesse, les frottements de l'air deviendront prépondérants. On peut même utiliser cela pour limiter la vitesse du moteur afin de stabiliser sa rotation.

En 1994, Larry Spring ajouta une suspension magnétique pour limiter les frottements et montrer un objet paraissant plus « magique ». Comme il habitait la ville de Mendocino, le nom "Mendocino motor" est resté.

Deux paires d'aimants vont se repousser, compensant le poids du moteur. Mais comme il n'est pas possible d'obtenir une lévitation stable uniquement avec des aimants permanents (théorème d'Earnshaw oblige), il faut retenir l'ensemble par le biais d'une pointe reposant sur une surface.

Vous trouverez sur le web des dizaines de moteurs de Mendocino, certains étant vraiment dépouillés et bien fabriqués, d'autres de médiocre qualité. Fabriquez-le vous-même, surtout si vous avez accès à une imprimante 3D !

Une sustentation magnétique avec des "roulements supraconducteurs" permet d'éliminer le contact mécanique. Mais il faut de l'azote liquide, en attendant la supraconductivité à température ambiante.

J'ai réalisé un moteur de Mendocino en mars 2010, quand j'ai découvert cela et que je me suis rendu compte que je pouvais avoir le matériel requis, surtout les cellules solaires prototypes fabriquées au CEA.

Il s'agit d'une version très classique, proche de l'originale en conception :

• 4 cellules solaires (polycristallin) provenant du Liten, 2cm x 2cm.
• 2 bobinages de 300 tours, fil de cuivre 0.125 (entre 30 et 40 Ω)
• 6 aimants néodymes ronds pour la sustentation
• 2 aimants rectangulaires sous les bobinages pour le champ magnétique du moteur
• structure réalisée avec une imprimante 3D
• morceau de silicium (je suis microélectronicien à la base, on ne se refait pas) pour réduire les frottements de la pointe de l’axe de rotation (le petit miroir)
• 2 garde-fous amovibles (les anneaux autour de l’axe), pratiquement inutiles sauf pour le transport (les cellules solaires sont fragiles).

Mon moteur tourne à la lumière du jour à 60 tours/minute environ. Et bien plus rapidement au soleil !

Cette version classique horizontale, à 4 cellules, présente le défaut de ne pas démarrer toute seule, il faut la lancer. Et je trouvais qu'elle se mettait à pogoter lorsque l'intensité lumineuse devenait importante (la force devient très intense juste au moment où la cellule est exposée au soleil, ce qui pousse l'axe et provoque un ballottement).

J'ai réalisé alors une version verticale, qui présente divers avantages :

• Un aimant attire une pointe métallique (un stylo-bille), ce qui permet de réduire la force de pression de la pointe sur le support, et donc le frottement.
• Un aimant en forme d'anneau en bas repousse un aimant rond sur l'axe avec une force bien plus importante et dans toutes les directions, ce qui limite beaucoup le ballottement.
• Avec 6 cellules, la rotation démarre toute seule, il n'existe pas de position stable.

La vitesse de rotation au soleil est étonnante.

J'ai également réalisé une version plate, horizontale, qui ne possède pas de position stable ce qui permet un démarrage autonome. Cette fois, ce sont les aimants qui bougent et les bobines qui restent fixes.

On retrouve cette version sous diverses formes sur le web.

En 2016, André Coty a utilisé le principe de la commutation lumineuse pour faire une pompe (ou autres applications), simplifiant les moteurs habituels (pas de balais, pas d'électronique), les rendant plus fiables.

Cette réalisation a conduit à la création d'une start-up, Saurea.

On peut ajouter des panneaux solaires pour fournir plus d'énergie, ce n'est pas expliqué, mais dans les brevets on comprend qu'ils ajoutent des transistors pour faire passer le courant externe dans la bonne bobine, il suffit de synchroniser (un panneau solaire fait un très bon détecteur de lumière, il suffit de piloter le passage du courant). Ce n'est pas de l'électronique compliquée, c'est assez simpliste.