Les révolutions des matériaux composites

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Le Comité pour l’Energie et les Ressources naturelles du Sénat a procédé le 12 avril à une audition au sujet de l’utilisation de nouveaux matériaux dans l’industrie et les transports, dans le cadre du vote d’une loi bipartisane sur l’énergie. Un autre enjeu de cette audition concernait la pertinence de l’orientation des mécanismes fédéraux destinés à accompagner l’innovation des industries de pointe. En effet, l’industrie représente environ un quart de l’énergie consommée chaque année aux Etats-Unis, ainsi qu’une part importante du produit intérieur de certains Etats (Ohio, Alaska,…). Il s’agit donc d’un domaine dans lequel réaliser des économies d’énergie aurait d’importants impacts sur l’empreinte écologique du pays.

L’importance des matériaux dans la stratégie américaine

Dans le cadre de sa stratégie de lutte contre le changement climatique, Barack Obama a souhaité que la recherche se penche sur le développement de matériaux plus légers, permettant d’augmenter l’efficacité du secteur industriel dans son ensemble. L’IACMI (Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation) mène ces recherches. Il s’agit d’un partenariat public-privé créé en 2015, rassemblant des industries ainsi que des institutions de recherche et des universités. Il a pour ambition de réduire le coût des matériaux composites avancés de 50%, l’énergie nécessaire à leur production de 75% et d’augmenter leur capacité à être recyclé de 95% au cours des dix prochaines années.

Au cours de l’audition, le Dr. Craig Blue (Chief Executive Officer, IACMI) a expliqué que ces objectifs ambitieux pouvaient être atteints grâce aux partenariats noués dans cinq domaines technologiques : les véhicules, les éoliennes, le stockage de gaz compressé, le design et les matériaux composites. La stratégie de l’institut est de coupler la recherche fondamentale et la recherche appliquée dans le but d’accélérer la recherche dans ce domaine. Les résultats semblent particulièrement prometteurs dans le domaine de l’automobile, puisque diminuer le poids d’un véhicule de 10% entraîne une diminution de 6 à 8% de la consommation de carburant. Il estime que l’utilisation de matériaux composites dans l’automobile permettrait de réduire le poids d’une voiture classique de 50%, faisant diminuer sa consommation de 35%.

De plus, et toujours dans cet objectif de réduction des émissions polluantes, ces matériaux sont essentiels pour la construction d’éoliennes. Légers, résistants, ils permettent de fabriquer des pales plus longues et moins lourdes, donc plus efficaces, et d’augmenter ainsi la génération d’électricité par le parc éolien. Pour les mêmes raisons, ils peuvent également permettre de construire des réservoirs pour les véhicules roulant au gaz naturel.

Ces matériaux sont également utilisés dans l’industrie aéronautique, pour les mêmes raisons. Depuis les années 1970, les compagnies aériennes n’ont eu de cesse d’augmenter l’efficacité énergétique de leurs appareils, en raison du coût que représente chaque place non-occupée à bord. En plus des efforts entrepris pour réduire le nombre de vols et les avions, De nombreuses innovations ont permis de réduire considérablement l’énergie nécessaire, d’environ 10 000 BTU par miles par passager [1] en 1970 à un peu moins de 2 700 aujourd’hui (soit une amélioration d’environ 70%). Leo Christodoulou, représentant la compagnie Boeing lors de cette audition, a annoncé l’arrivée sur le marché au cours des cinq prochaines années de modèles 20% plus efficaces que ceux qu’ils remplacent. Gardons en tête que malgré ces excellents progrès, l’empreinte écologique d’une personne voyageant en voiture reste plus faible que le même voyage en avion, à partir du moment où cette voiture transporte plus de deux passagers.

Enfin, l’utilisation de matériaux composites dans le domaine du bâtiment présente également des perspectives intéressantes. Légers, relativement peu polluants à produire, présentant d’excellentes caractéristiques mécaniques et étant extrêmement durables, ils disposent de plus de propriétés isolantes supérieures aux matériaux classiques. La construction comme l’entretien et l’opération du bâtiment demandent donc une dépense moindre en énergie.

M. Christodoulou a insisté sur les avancées que laissait espérer l’impression 3D, en permettant de réaliser plus facilement des pièces difficiles à fabriquer selon les méthodes traditionnelles. De plus, cette méthode permet de fabriquer des pièces moins chères et jusqu’à 50% plus légères, sans perte de performance.

Un effort de formation pour soutenir ces nouvelles technologies

L’introduction de ces nouvelles méthodes de production et de ces nouveaux matériaux sur le marché nécessite un effort de formation conséquent. Boeing a fait le choix de travailler en collaboration avec des institutions éducatives afin de développer des cursus adaptés aux nécessités du marché.
David B. Williams, Doyen à l’Université de l’Ohio, a profité de cette audition pour insister sur le dynamisme du secteur. Il a notamment évoqué le LIFT (Lightweight Innovation For Tomorrow), un consortium d’industries, d’universités et d’ONG basé à Detroit, et dont on attend la création de 10 000 emplois au Middle West au cours des cinq prochaines années.

Bien que soulignant le caractère essentiel des financements fédéraux en matière de recherche fondamentale, il a annoncé que certaines universités américaines développaient leurs propres réseaux de financement en parallèle, notamment via des partenariats avec l’industrie.

Deborah Wince-Smith, Présidente du Conseil de la Compétitivité, a insisté sur les avantages dont disposent les Etats-Unis dans ce domaine, et notamment sur l’ampleur des investissements annuels en recherche et développement : à 450 milliards de dollars par an, ils sont les plus gros investisseurs au monde, dominant de près de cent milliards l’Union Européenne et la Chine. Elle a cependant pointé du doigt l’impôt sur les sociétés, dont le taux est le plus élevé au monde (39,5%), et qui constitue un frein à l’investissement, alors même que nous pourrions nous trouver à l’aube d’une quatrième révolution industrielle, toujours selon elle.


Sources :
- Audition du Sénat sur le sujet, 12 avril 2016
- Communiqué de la Maison Blanche sur la création de l’IACMI, 9 janvier 2015
- Samantha Page, « No, Flying Is Not Greener Than Driving », Climate Progress, 29 avril 2015
- Daniel Gross, “Has Flying Become More Eco-Friendly Than Driving ?”, Slate, 15 juillet 2014

Redacteur :
- Julien Collard, Stagiaire pour la Science et la Technologie : julien.collard@ambascience-usa.org

Notes

[1BTU : British Thermal Unit est une unité de mesure de l’énergie équivalent à environ 1055 joules, soit l’énergie que dégage une allumette de cuisine se consumant entièrement, ou l’énergie nécessaire pour chauffer une livre d’eau de 1 degré Fahrenheit. Cette unité est encore en usage dans quelques pays anglo-saxons, mais a été largement supplantée par le joule au niveau international.

Afin d’éviter les approximations, cet article utilisera les unités impériales.