Bilan

Les matériaux ultralégers à l'assaut du pétrole cher

Pour mesurer les innovations apportées par l'avion solaire Solar Impulse, il ne faut pas chercher du côté des cellules photovoltaïques révolutionnaires, mais de son enveloppe. Le premier prototype, qui débute ses essais de vol pour un tour du monde prévu en 2012, est couvert d'une peau en cellules de silicium monocristallin. Et si ces cellules affichent un rendement record de 22% au zénith, ce n'est cependant pas sur l'amélioration de cette efficacité qu'ont travaillé les ingénieurs. Ils se sont concentrés sur leur épaisseur, ramenée de 250 à 150 microns, donc sur leur poids.«L'allégement est au coeur des développements technologiques de Solar Impulse», confirme l'ingénieur André Borschberg, cofondateur du projet aux côtés de Bertrand Piccard. Cela fait de Solar Impulse une sorte de pôle de recherches sur les nouveaux matériaux plutôt que sur l'énergie. Si le premier sponsor à avoir cru au projet est un groupe chimiste, Solvay, ce n'est alors pas un hasard.La réduction du poids, en particulier dans les moyens de transport automobile et plus encore aéronautique, est devenue un enjeu considérable. Le gain de chaque kilo sur une voiture permet de réduire la facture d'essence d'environ 15 francs par an. Mais sur un avion, chaque kilo épargné diminue la facture en kérosène de 200 francs. Une tonne gagnée sur un Airbusde 200 tonnes représente ainsi une économie de 200 000 francs par an. Sans compter la baisse des rejets de CO2.Léger comme de la toileAu décollage, Solar Impulse ne pèsera, lui, que 1,6 tonne, pilote compris. Pour un avion dont l'envergure est comparable à celle d'un Airbus A340, c'est incroyablement peu. Au mètre carré (charge à l'air), Solar Impulse se limite seulement à 8 kilos, soit le même poids qu'un deltaplane. Sauf que l'avion solaire n'est pas en toile mais en matériau dur. Et, il embarque en plus des batteries pour le vol de nuit, des moteurs électriques et des cellules solaires.Outre l'allégement de ces dernières, les ingénieurs ont donc multiplié les astuces pour faire maigrir l'appareil. Solvay et le coréen Kokamsont ainsi parvenus à augmenter la densité énergétique des batteries au lithium de 150 watt/heure par kilo à 240. L'aile est longue de 64 mètres, mais le carbone qui la compose est épais de moins de 0,5 millimètre, sans concession cependant à la résistance mécanique grâce à l'orientation de la fibre.Ces prouesses héritent de recherches sur les composites menées à l'EPFL pour le voilier Alinghi. Les processus développés à la haute école lausannoise ont la particularité de réduire les coûts encore élevés des composites en évitant potentiellement la cuisson dans des fours autoclaves aussi gigantesques que chers. Aussi, il est naturel que les grands industriels de l'aéronautique s'intéressent de plus en plus à ces technologies. Airbus, qui a commencé d'intégrer des composites sur certaines parties de ses appareils, prévoit que la structure de son prochain A350 sera à moitié réalisée dans ces matériaux.«Dans des projets extrêmes comme Alinghi ou Solar Impulse, vous pouvez vous permettre de ne pas tenir trop compte des coûts, explique Véronique Michaud, professeure en science des matériaux à l'EPFL. Mais quand vous entrez dans l'industrie, à côté de la certification, le prix est l'enjeu central.» C'est vrai dans l'aéronautique et plus encore dans l'automobile. Diminuer le poids des véhicules pour réduire la consommation de carburant est, en effet, un objectif majeur des grands constructeurs. A tel point qu'ils nous ont opposé le secret industriel sur ces questions...De l'acier inspiré par les os des oiseauxAujourd'hui, les voitures comprennent encore en moyenne 60% d'acier. Les alliages de métaux plus légers, comme l'aluminium et le magnésium, se développent rapidement. Cependant, l'aluminium trois fois plus léger que l'acier est de faible résistance et non utilisable pour de nombreuses pièces de structure. Le magnésium est à la fois résistant et très léger (à résistance égale, il est 25% plus léger que l'aluminium et 50% plus léger que la fonte), mais il vieillit mal et pâtit d'une image d'inflammabilité, de prix relativement élevés et de processus de production encore polluants. Dès lors, les composites sont devenus une alternative à condition d'être moins chers. Comme ceux développés par le spin-off de l'EPFL, EELCEE (lire encadré).Cela dit, la compétition est rude. Car les métaux traditionnels n'ont pas dit leur dernier mot. Spin-off de l'Université de Chalmers en Suède, Lameraa par exemple inauguré une chaîne de production pilote d'Hybrix. Une structure d'acier en couches minces inspirée par les os allégés des oiseaux qui réduit de 50% à 70% le poids, tout en en conservant les qualités mécaniques nécessaires à de nombreuses applications. L'entreprise vient de trouver ses premiers marchés dans l'allégement des éléments intérieurs des avions (chariots, sièges, cuisines).Reste que la raréfaction des ressources jouera aussi un rôle croissant dans le choix des matériaux et derrière des outils de production. La flambée des prix des métaux de 2008 a alerté nombre de constructeurs. Du coup, malgré la crise, le marché du composite croît fortement.

 

Les avantages des mousses métalliquesStructure A l'EPFL, Sébastien Soubielle développe des mousses d'aluminium non seulement plus légères mais capables d'absorber les chocs. Fonction A volume égal de pièce, les mousses métalliques augmentent les surfaces en contact potentiel avec un gaz ou un fluide. Cette propriété est envisagée pour des filtres, pour l'électrolyte des batteries et pour des matériaux biocompatibles. IndustrialisationLes voitures en cure d'amaigrissementUne société lausannoise développe des équipements automobiles en composites meilleur marché.Professeur de science des matériaux et grand artisan des collaborations avec Alinghi, Jan-Anders Månsona fondé EELCEEen 2008 au Parc scientifique de l'EPFL afin de commercialiser les technologies de mise en oeuvre des composites développées sur le campus lausannois. Cette société d'engineering a trouvé ses premiers clients dans l'automobile. Plusieurs constructeurs asiatiques et européens évaluent actuellement ses sièges, ses portes et même ses roues en composite après en avoir éprouvé la résistance lors de crash-tests.Le gain de poids par rapport aux métaux normalement utilisés pour ces pièces est de l'ordre de 30% à 40%. Surtout, précise Jan-Anders Månson, «l'allégement de la structure crée un cercle vertueux. Le moteur est plus petit, la suspension moins lourde». Il estime ainsi que 200 kilos gagnés sur le poids du véhicule aboutissent à 20 grammes de CO2 en moins au kilomètre. Un argument qui fait mouche alors que l'Union européenne va imposer la limite de rejet de 130 grammes de CO2/km à partir de 2012.Toutefois, les constructeurs ne seraient pas aussi emballés si EELCEE n'était pas parvenu à réduire les coûts des composites. «Nous sommes presque 20% moins chers que les métaux grâce à des processus qui permettent de remplacer l'équivalent de plusieurs pièces de métal assemblées par une seule en composite», explique le chercheur. EELCEE a fait réaliser ses premiers composants automobiles par un partenaire. Mais Jan-Anders Månson réfléchit à la création d'une usine.

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