Aviation : un ciel plus vert, mais pour quand ?

La conception de petits avions électriques a déjà commencé. Mais celle de gros appareils de ligne propres présente un tout autre défi.

De Sam Howe Verhovek
Publication 18 oct. 2021, 10:02 CEST
Conçu à l’université de technologie de Delft, aux Pays­-Bas, le Flying-V subit un test en soufflerie. L’aéro­dynamisme novateur de ...

Conçu à l’université de technologie de Delft, aux Pays­-Bas, le Flying-V subit un test en soufflerie. L’aéro­dynamisme novateur de son fuselage intégré pourrait être 20 % plus économe que les avions conventionnels. Airbus et Boeing ont tous les deux testé des modèles similaires.

PHOTOGRAPHIE DE David Monteleone

Les vols commerciaux seront-ils un jour écologiques ? Lorsque j’en parle avec des experts de l’aéronautique, un fait et un chiffre me viennent toujours à l’esprit. Le fait : tout ce qui peut révolutionner les transports sur terre ne servira pas de sitôt dans les airs. Panneaux solaires, éoliennes, moteurs électriques, batteries à haute capacité de stockage, piles à hydrogène, lévitation magnétique... Soyons clair, toutes ces technologies sont inutiles à l’heure actuelle pour envoyer quelques centaines de personnes dans la stratosphère et les convoyer sur des milliers de kilomètres. Et le chiffre : plus de 80 % de la population mondiale n’est jamais montée dans un avion.

Mettre en regard ce fait et ce chiffre, c’est tout le problème qu’affrontent les compagnies aériennes et les constructeurs aéronautiques qui cherchent à décarboner les vols. Le transport aérien pourra devenir vert, mais pas tout de suite et pas autant que le transport par voie terrestre.

Or la vitesse à laquelle ce secteur industriel réussira à s’adapter pourrait affecter son image – et ses profits. À l’heure où les défenseurs de l’environnement insistent sur la lourde responsabilité de l’avion dans le changement climatique, le temps que mettra le transport aérien pour passer au vert pourrait bien amener les voyageurs à se demander s’il est moralement acceptable de prendre l’avion.

« Les avions ne peuvent plus continuer à voler avec du kérosène d’origine fossile. Mais il n’y a pas de solution magique », avertit Jennifer Holmgren, directrice générale de LanzaTech. Cette entreprise est pionnière dans le développement de carburant pour l’aviation créé à partir de sources inhabituelles (comme des déchets) pour remplacer le kérosène.

Inspection d’une turbo­ soufflante dans une usine Rolls­Royce, à Derby (Angleterre). Les progrès dans la conception et les matériaux de ce type de moteurs à réaction les ont rendus plus économes en carburant et plus propres, mais les avions sont encore loin d’être écologiques. Rolls­Royce développe l’UltraFan, un moteur qui pourra fonctionner uniquement avec des carburants durables.

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Des avancées prometteuses avec des moteurs électriques sans émissions alimentés par des batteries ont été testées lors de trajets sur de faibles distances et durées. Ce sont donc les compagnies aériennes spécialisées dans les court-courriers à bord de petits avions qui ouvriront la voie vers le vol électrique. Cependant, à ce jour, aucune batterie n’est capable de faire voler un Boeing 747 entre New York et Londres.

Mon calcul d’expert préféré est celui de David Alexander, directeur des normes aérospatiales à SAE International (une association regroupant des spécialistes de l’ingénierie des transports). Selon lui, il faudrait la puissance de 4,4 millions de batteries d’ordinateurs portables rien que pour décoller. Sauf que l’appareil ne pourrait pas quitter le sol – les batteries pèseraient sept fois plus lourd que lui. À poids égal, le carburant liquide produit bien plus d’énergie que la batterie la plus performante utilisée aujourd’hui.

Depuis les débuts de l’aviation à réaction, l’industrie aéronautique offre des vols commerciaux standards sans cesse moins polluants. Mais l’augmentation du trafic aérien annule ces bénéfices. Au bout du compte, les émissions de carbone dues aux vols continuent d’aggraver le problème du changement climatique.

C’est là qu’intervient le fameux chiffre : plus de 80 % de la population mondiale n’a jamais pris l’avion (estimation due à Boeing et couramment citée dans l’aviation). Pour le secteur, cela offre un énorme marché inexploité et l’espoir que le trafic aérien reprendra sa croissance historique d’environ 5 % par an après la pandémie.

Tout vol contribue à réchauffer la planète. L’aviation commerciale représente environ 2,5 % des émissions de dioxyde de carbone (CO2) d’origine humaine. Mais son impact réel est bien plus fort. En cause, notamment, l’effet réchauffant d’autres polluants et les traînées de condensation des avions, ainsi que la façon complexe dont ces émissions de gaz stagnent et interagissent dans l’atmosphère. Selon des experts, le trans- port aérien génère jusqu’à 5 % de la contribution humaine au réchauffement climatique actuel.

Ce chiffre risque d’augmenter avec la croissance du trafic aérien de passagers et de fret. Dans le même temps, les transports terrestres et des activités comme la construction gagnent en efficacité sur le plan énergétique. Tout cela est à l’origine d’un mouvement incitant à ne pas utiliser l’avion ou à s’en passer autant que possible. Le flygskam (terme issu du suédois et pouvant se traduire par « honte de prendre l’avion ») s’est imposé en Europe et commence à être connu un peu partout ailleurs.

« Il n’y a quasiment rien de pire pour la santé de la planète que de s’asseoir dans un avion », lâche l’astrophysicien Peter Kalmus, aujourd’hui climatologue à la Nasa. Il n’a plus pris l’avion depuis 2012 et a fondé noflyclimatesci.org, qui recueille des témoignages de personnes ne souhaitant plus prendre l’avion, ou moins souvent.

« La dure réalité que la plupart des gens n’ont pas encore acceptée est que nous n’avons pas besoin de voler, assène Peter Kalmus. Si vous êtes vraiment conscient que nous sommes dans une situation d’urgence climatique, vous ne devriez tout simplement pas prendre l’avion. »

La France a voté en juillet l’« interdiction des vols domestiques en cas d’alternative en train de moins de 2 h 30 ». Au Royaume-Uni, le Comité sur le changement climatique a douché les  élites, pour qui prendre l’avion est une habitude. Le comité a proposé « une interdiction des miles cumulés via les programmes de fidélisation, qui incitent à prendre l’avion de façon excessive ».

Mais opposer le train à l’avion est trompeur. Les trois quarts du carburant utilisé par le transport aérien servent à des vols de plus de 1 600 km. Sur de telles distances, la majorité des voyageurs optent pour les airs. En ce sens, le mouvement flygskam concerne autant la décision de voyager que celle de prendre l’avion.

Des ingénieurs de Lilium, à Munich, travaillent près d’un modèle grandeur nature de l’avion à décollage et atterrissage verticaux créé par l’entreprise. L’appareil est alimenté par trente­-six moteurs électriques à réaction. Il est conçu pour transporter un pilote et six passagers sur 250 km. De nombreuses entreprises développent des avions électriques similaires, dont certains volent de façon autonome.

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Pour les leaders du transport aérien, la solution n’est pas de condamner les voyages en avion, mais de rendre le ciel plus vert. « L’aviation est une partie essentielle de l’économie mondiale, clame Sean Newsum, directeur de la stratégie environnementale chez Boeing. Notre défi est de réduire les émissions et de décarboner les avions, pas d’empêcher les gens de voyager. »

Quelles sont les voies possibles vers le salut écologique pour le transport aérien? La plus rapide pourrait passer par la bioraffinerie de Freedom Pines, dans le centre de la Géorgie. C’est là que je rencontre Curt Studebaker, qui travaille à changer toutes sortes de déchets en carburant pour l’aviation. « Lorsqu’on y arrive, affirme ce jeune et sympathique ingénieur chimiste, on obtient vraiment un meilleur carburant que le Jet A [le kérosène standard de l’aviation américaine]. Il est en fait plus propre. »

LanzaTech, l’entreprise où Studebaker travaille, a réussi à fabriquer de l’éthanol avec un mélange d’émissions lourdement chargées en carbone (provenant d’une aciérie chinoise), de microbes à croissance rapide (découverts à l’origine dans des boyaux de lapin), d’eau et de nutriments. Le tout fermente ensuite comme dans une cuve à bière et est raffiné sur place.

Mélangé à du Jet A, le carburant d’aviation durable (ou SAF) créé par LanzaTech a permis de faire voler un Boeing 747 de Virgin Atlantic entre Orlando (Floride) et Londres en 2018.

Pour l’heure, les SAF sont encore mêlés au carburant standard. Mais ils sont présentés comme le premier pas de géant vers la réduction de l’empreinte carbone de l’aviation. En effet, pour les compagnies aériennes, les avions actuels de conception tube-and-wing (« fuselage et ailes ») ont une durée de vie de deux, voire trois décennies. Les ingénieurs ont beau réfléchir aux générations futures d’aéronefs, les milliers d’avions déjà en service ne disparaîtront donc pas de sitôt. Et ils voleront avec du carburant liquide.

Ces avions de ligne deviendront un peu plus efficaces. Leurs moteurs seront remplacés par des modèles plus récents ou des améliorations permettront d’augmenter la distance franchissable. C’est le cas des winglets (ailettes quasi verticales), « sharklets » (chez Airbus) ou « scimitars » (« cimeterres », des sortes d’ailettes doubles) qui ornent désormais l’extrémité des ailes de nombreux avions à réaction. Mais quel est le moyen le plus efficace pour les faire voler plus proprement ? Le changement de carburant.

Qu’un SAF soit dérivé de sous-produits agricoles (comme les tiges de canne à sucre), de déchets industriels ou même de déchets domestiques, il séquestre ou consomme du carbone qui est en début de cycle. Un SAF constitue donc un émetteur net de carbone bien plus faible que les combustibles fossiles.

En outre, un SAF est un carburant « prêt à l’emploi ». Il n’exige que des modifications relativement mineures du moteur. Et il n’implique pas de construire de nouvelles infrastructures aéroportuaires, comme c’est le cas pour les alternatives au carburant liquide.

Les composants innovants de l’UltraFan de Rolls­Royce (le plus gros moteur d’avion du monde) vont contribuer à le rendre plus léger et plus efficace. Chaque aube (ou pale) sera fabriquée en composite de fibres de carbone. 

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Quels sont les défis à relever pour le SAF? Primo, son prix. Le carburant alternatif coûte deux à six fois plus cher que le kérosène. Le SAF a constitué bien moins de 0,1 % des 360 milliards de litres consommés par l’aviation en 2019.

Secundo, l’industrie aéronautique ne peut pas disposer des ressources les plus aisément accessibles et les moins chères pour réussir sa conversion : les récoltes. Si les producteurs de carburant exploitaient les terres et l’eau dont le monde a besoin pour se nourrir, le transport aérien ne ferait que troquer une impasse environnementale contre une autre.

L’industrie s’est donc focalisée sur d’autres sources prometteuses. Par exemple, les déchets que LanzaTech convertit en énergie. Ou encore les halophytes, des plantes tolérantes au sel qui peuvent être irriguées avec de l’eau de mer.

Aux Émirats arabes unis, sur une parcelle de désert bordant le golfe Persique, des plants de Salicornia bigelovii (une oléagineuse) poussent sur des déchets d’une ferme aquacole. Raffinée et mêlée à du kérosène, l’huile issue du broyage des graines donne un carburant alternatif.

Les partisans du SAF l’affirment : s’il était produit à l’échelle requise pour couvrir l’essentiel des besoins de l’aviation, son prix s’effondrerait et deviendrait compétitif avec le kérosène. Mais l’offre ne s’accroîtra pas s’il n’y a pas de demande. Et l’offre actuelle est si faible et si chère qu’il est difficile de stimuler la demande.

C’est là que le problème devient politique. La solution pourrait être une taxe carbone sur le kérosène ou l’instauration de quotas de SAF dans les carburants d’aviation. « Dans les faits, il faut une énorme montée en puissance des SAF », selon Paul Stein, directeur de la technologie chez Rolls-Royce. Mais, en général, l’industrie soutient les SAF. » Le motoriste britannique vient de sortir l’UltraFan, le moteur pour avion le plus gros et parmi les plus efficaces jamais construits – et conçu pour utiliser le carburant alternatif.

Les composants innovants de l’UltraFan de Rolls­Royce (le plus gros moteur d’avion du monde) vont contribuer à le rendre plus léger et plus efficace. Le disque rotor et les aubes du compresseur seront fabriqués comme une unité intégrée. Rolls­Royce espère assembler son moteur de démonstration d’ici à fin 2021.

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Sur le site d'Airbus près de Marseille, on peut voir un engin volant en matériaux composites qui ne ressemble à aucun avion de ligne ayant jamais volé. Le Maveric est un modèle réduit de 3,2 m d’envergure. Pour le consortium européen, sa conception pourrait répondre à une question lancinante : peut-on concevoir un avion de ligne plus efficace, c’est-à-dire plus écologique ?

L’industrie aéronautique moderne n’est guère encline aux innovations qui, dans d’autres secteurs, peuvent bouleverser d’un coup les idées reçues. Un véritable changement de paradigme exige de longues années de développement et de tests de sécurité en vue de la certification.

Le fuselage intégré qu’utilise le Maveric a encore des défis techniques majeurs à surmonter. Mais il pourrait réduire les émissions de carbone jusqu’à 40 % par rapport aux avions actuels. Principal avantage de ce modèle aérodynamique : tout l’avion fonctionne comme une seule aile.

Cela réduit la traînée et génère plus facilement de la portance. Des chercheurs de l’université de technologie de Delft (Pays-Bas) ont recours à des principes similaires pour concevoir le Flying-V, un avion à l’allure de boomerang.

Lilium a conçu un moteur à réaction électrique pour faire fonctionner ses petits avions. 

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Airbus a fait sensation en 2020. Le consortium a annoncé travailler sur une gamme dont la mise en service était prévue dans quinze ans. Ces avions auraient l’étonnante particularité de pouvoir voler sans émettre de dioxyde de carbone. Ils fonctionneraient à l’hydrogène, dont le principal sous-produit est... de la vapeur d’eau.

Comme pour les voitures électriques, zéro émission ne signifie pas toujours zéro pollution. L’approche d’Airbus pose ainsi la question de la production et du stockage de l’hydrogène.

L’essentiel de l’hydrogène utilisé aujourd’hui provient de combustibles fossiles. L’hydrogène dit « vert » (qui utilise l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène) est le graal. Ses partisans l’assurent : le progrès technologique et une production à grande échelle permettront à l’hydrogène vert de s’imposer dans le ciel.

Mais on se heurte à une autre complication. L’hydrogène liquide, tel que celui utilisé dans le programme spatial américain, doit être surcompressé et maintenu à des températures cryogéniques (moins 253 °C) pour demeurer liquide. 

Ce qui nécessite beaucoup d’énergie. À l’inverse, à l’état gazeux, l’hydrogène prendrait énormément de place dans un avion. Le réservoir de carburant devrait donc être bien plus grand pour produire autant d’énergie que le kérosène.

Dans tous les cas, un avion de ligne propulsé à l’hydrogène serait très différent des avions actuels. Les aéroports auraient besoin de nouvelles infrastructures pour s’y adapter. Airbus reconnaît l’existence de ces obstacles, mais reste optimiste quant aux perspectives.

Airbus a fait voler un prototype grandeur nature du CityAirbus, un multi­coptère qu’alimentent quatre batteries carrées. Les quatre unités de propulsion possèdent chacune deux moteurs ainsi que deux hélices. L’appareil est conçu pour voler de façon autonome jusqu’à 120 km/h, avec quatre passagers, pour des vols de quinze minutes au plus – « idéal pour le covoiturage urbain aérien », selon Airbus.

 

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

« Nous sommes convaincus que l’hydrogène est le carburant propre à développer, car il ne s’agit pas seulement de réduire les émissions de CO2, mais de les éliminer, souligne Amanda Simpson, vice-présidente de la recherche et de la technologie chez Airbus Americas. Si vous y parvenez à partir d’hydrogène vert produit avec de l’électricité provenant de sources durables, vous ne trouverez pas plus propre ! »

En 2008, Boeing a été le premier à faire voler un avion entièrement alimenté à l’hydrogène – un biplace expérimental. Mais, officiellement, l’avionneur est moins optimiste. Non pas qu’il remette en question le potentiel de l’hydrogène, mais il considère que ce carburant ne sera pas la solution idéale avant de nombreuses années.

Brian Yutko, ingénieur en chef de Boeing pour le développement futur de la durabilité et de la mobilité, explique : « Notre analyse montre très clairement que pour les avions commerciaux, les carburants durables constituent la seule solution viable pour décarboner réellement à court ou même à moyen terme. »

La ville agricole de Hollister, dans le centre de la Californie, est célèbre pour son rassemblement annuel de motards (qui a inspiré L’Équipée sauvage, l’un des premiers succès de Marlon Brando). Mais, de nos jours, sa réputation tient peut-être moins aux rugissements des moteurs dans ses rues qu’à un appareil silencieux évoluant au-dessus de l’aéroport. On peut y voir un petit appareil aérien jaune banane à treize rotors (trois à l’avant et à l’arrière de chaque aile, plus une hélice plus grande à l’arrière de l’engin). Dernier détail : il n’y a pas de pilote.

Aujourd’hui, l’avion électrique autonome est peut-être une curiosité. Mais, pour ses inventeurs, il deviendra bientôt un objet ordinaire du quotidien – le taxi aérien. Leur entreprise, Wisk, n’est qu’une nouvelle venue parmi tant autres. Mais elle possède de gros atouts : elle reçoit le soutien financier de Boeing et de Kitty Hawk, la start-up d’aviation fondée par Larry Page, le cofondateur de Google. Sa vision est celle d’un monde où prendre un taxi volant sera aussi facile et bon marché qu’une course en voiture l’est aujourd’hui – et plus sûr, par ailleurs.

« Ce n’est pas le Far West, m’assure Gary Gysin, le directeur général de Wisk. Nous respecterons les normes de sécurité drastiques de l’industrie aéronautique. Personne ne volera sans l’approbation de la FAA [Administration fédérale de l’aviation]. » Plus globalement, il affirme que les progrès remarquables de la technologie des batteries et des matériaux composites légers, ainsi que les faibles coûts d’exploitation des moteurs électriques, rendront cette vision réaliste.

Ce multicoptère est conçu pour voler de façon autonome jusqu’à 120 km/h, avec quatre passagers, pour des vols de quinze minutes au plus – « idéal pour le covoiturage urbain aérien », selon Airbus.

 

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

On ignore encore quand cette industrie particulière pourra prendre son essor. Mais l’affaire est sérieuse. Selon la Vertical Flight Society, l’avion de Wisk n’est que l’un des 475 avions électriques à décollage et atterrissage verticaux en cours de développement.

L’avion de Wisk et d’autres taxis volants concurrents peuvent faire ce que fait un hélicoptère : embarquer des passagers et les déposer dans des endroits où les avions classiques ne peuvent pas aller. Outre le fait d’être nettement moins chers à exploiter, ils sont beaucoup, beaucoup plus silencieux.

Le secteur commencera sans doute par établir des services de navettes entre les aéroports et des « vertiports », selon Gysin. Ceux-ci pourraient être des aires d’atterrissage au sommet d’immeubles d’habitation comme sur des parkings de banlieue. Mais qu’en sera-t-il avec le temps, quand les gens se seront habitués à ces engins aériens sûrs, silencieux et bon marché ?

« Nous viendrons vous chercher sur votre pelouse », lance Gysin en souriant. Je plaisante en disant que je serais capable de réserver un vol aller-retour vers nulle part juste pour admirer la vue d’en haut. « Absolument !, me rétorque Gysin, transporté d’enthousiasme. Le plaisir fait partie du projet ! C’est une part du marché. »

Le directeur général de Wisk ajoute que les premières études de marché l’ont un peu surpris. En plus de la garantie d’une conduite sûre, souple et silencieuse, révélaient-elles, l’une des principales demandes des clients potentiels était une bonne connexion WiFi. « Et moi, j’étais là... Vraiment ? Tu te fiches de moi ?, s’exclame Gysin en faisant semblant de se donner une claque sur sa tête. Range-moi ce foutu téléphone et regarde par la fenêtre ! »

Le concept de taxis aériens pourrait-il susciter une réaction négative de la part du public, et dans quelle mesure ? Je ne saurais le dire. Mais le vol électrique, bien qu’il soit encore fortement limité par les questions de poids et de capacité des batteries, se développe sur un autre front. En Colombie-Britannique (Canada), un exploitant d’hydravions de banlieue a adopté une approche intéressante. Il a entrepris de moderniser sa flotte d’inusables Beavers et Otters de l’avionneur De Havilland, vieux d’une soixantaine d’années, en remplaçant leurs moteurs à essence à piston par des moteurs électriques.

Le vol test initial sur le premier avion de ce type a eu lieu en décembre 2019. Greg McDougall, fondateur et directeur général de Harbour Air, était le pilote. La demande d’exploitation de la compagnie se fraie à présent un chemin dans le labyrinthique processus réglementaire.

« Nous sommes fiers d’être la première compagnie aérienne du monde à proposer des vols électriques entièrement propres, alimentés par l’énergie hydraulique durable de notre province, se réjouit McDougall. Mais je ne fais pas cela juste parce que je suis un hippie écologiste en extase. Je suis un homme d’affaires. Cela va réduire mes coûts, ce qui va réduire le prix des billets de tout un chacun. »

Associés à Airbus, des chercheurs à l’université technique de Munich étudient comment des algues pourraient servir à créer des biocarbu­rants et à fabriquer des fibres de carbone avec lesquelles produire des avions légers. Les algues absorbent le dioxyde de carbone de l’atmosphère en poussant. Leur transformation en carburant crée un cycle énergétique durable.

PHOTOGRAPHIE DE Davide Monteleone

Harbour Air est un candidat idéal à la conversion électrique. En général, ses vols ne dépassent pas trente-cinq minutes. Les batteries ayant une autonomie d’au moins une heure à pleine charge, cela garantit une bonne réserve d’énergie.

De l’autre côté de l’Amérique du Nord, la compagnie Cape Air, basée dans le Massachusetts, a franchi une étape différente. Elle a été la première compagnie aérienne du monde à annoncer son intention de faire voler un tout nouvel avion entièrement électrique.

Cet avion, baptisé Alice, est un appareil profilé, à queue en T, muni de deux hélices. Il est produit dans l’État de Washington par Eviation. Sa capacité est de neuf passagers.

Cet appareil deviendra une légende de l’aéronautique, prédit avec audace Omer Bar-Yohay, le P-DG de Cape Air : « Nous avons d’abord eu le vol motorisé, avec des hélices. Ensuite, nous avons eu l’ère des avions à réaction. L’aérien entre maintenant dans l’ère électrique. »

Les moteurs électriques modifiés de Harbour Air et les nouveaux moteurs d’Alice sont fabriqués par magniX, une entreprise d’Everett, dans l’État de Washington. Comme pour Harbour Air, les vols de Cape Air, qui relient Cape Cod à Boston et aux îles voisines de Martha’s Vineyard et Nantucket, sont courts.

Alice offre par ailleurs un autre exemple des défis qui attendent les vols électriques. Le poids total des batteries, supérieur à 3 700 kg, compte pour 60 % du poids de l’avion à vide.

Les enthousiastes avancent que d’ici quinze à vingt ans, les avions de ligne électriques pourraient transporter jusqu’à cinquante personnes sur quelques centaines de kilomètres.

Mais, pour les grands transporteurs aériens qui effectuent des vols sur des distances bien plus longues avec bien plus de passagers, le vol électrique demeurera une chimère pendant de nombreuses années encore. Un jour, nos descendants considéreront le vol sans émissions comme allant de soi. Savoir ce que nous allons faire d’ici là reste extrêmement difficile à imaginer, car ce jour n’arrivera pas de sitôt. 

Cet article a initialement paru dans le numéro d'octobre 2021 du magazine National Geographic. S'abonner au magazine.

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