Par Jeremy Cook
Des matériaux nouveaux et améliorés révolutionnent le monde de l’ingénierie aérospatiale. Dans cet article, nous allons explorer quelques-uns des nouveaux matériaux composites qui nous permettent d’atteindre Mars et au-delà.
Composites pour l’aérospatiale : Fibre de carbone, nanotubes et graphène
La fibre de carbone a été fabriquée pour la première fois dans les années 1800 pour être utilisée dans les filaments d’ampoules électriques, en utilisant des matériaux tels que le bambou et le coton. Ce n’est qu’au milieu du XXe siècle que les chercheurs ont exploré ce matériau en tant qu’élément structurel potentiel.
Aujourd’hui, la plupart des fibres de carbone sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile. Ces minuscules fibres individuelles sont liées à l’aide d’un liant plastique pour former un matériau extrêmement solide et léger. Les économies de poids réalisées grâce aux matériaux en fibre de carbone se traduisent par une réduction de la consommation de carburant pour les fusées qui se rendent dans l’espace, les avions en vol et même votre prochaine balade à vélo.
Nous pouvons considérer les autres composites aérospatiaux, les nanotubes de carbone, le graphène et le buckminsterfullerène, comme la prochaine évolution de la technologie des matériaux à base de carbone. Chacun de ces matériaux est constitué uniquement d’atomes de carbone liés à trois de leurs voisins atomiques.
- Nanotubes de carbone : atomes de carbone enroulés dans des tubes moléculaires qui s’apparentent à des filsextrêmement fins, voire à des boules de cheveux, et qui, une fois combinés, forment un matériau extrêmement résistant.
- Graphène : atomes de carbone liés entre eux et disposés en feuilles (et non en tubes). Le graphène est le matériau le plus solide jamais testé, avec plusieurs propriétés intéressantes qui pourraient le rendre approprié pour le stockage de l’énergie.
- Buckminsterfullerène : atomes de carbone enveloppés dans une boule (60 atomes de carbone, ou C60). Bien que son utilisation dans l’aérospatiale soit peut-être moins explorée que celle des autres molécules à base de carbone énumérées ici, les chercheurs pourraient lui trouver d’importantes utilisations à l’avenir.
Aérogel pour l’aérospatiale et la défense
Samuel Stephens Kistler a créé l’aérogel en 1931 en retirant le liquide d’une gelée. La substance solide qui en résulte est constituée en grande partie d’air. L’aérogel moderne est souvent formé à partir de silicium, en éliminant les molécules de liquide pour créer une substance extrêmement poreuse qui peut contenir plus de 99 % d’air en volume.
En raison de sa construction en tant qu’air « stationnaire », l’aérogel est un formidable isolant. La conductivité thermique peut être inférieure à celle du gaz qu’il contient, grâce à la grande porosité de l’aérogel et à l’effet Knudsen, qui limite les mouvements moléculaires et, par conséquent, le transfert d’énergie thermique. Cette porosité rend également l’aérogel hydrophile et capable d’absorber une grande quantité d’humidité. Des additifs peuvent toutefois le rendre résistant à l’eau.
Ces propriétés font de l’aérogel un matériau fantastique avec un large éventail d’applications potentielles, y compris pour la NASA. Sous sa forme brute, il peut être assez fragile et est sans aucun doute exotique, mais il a été utilisé pour des applications plus terrestres où une isolation extrême dans un volume minimal est nécessaire.
Impression 3D de métaux, traitement thermique avancé, composites aérospatiaux, et au-delà
Tout au long de l’histoire, les progrès réalisés dans le domaine du travail des métaux ont fait avancer la société. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un nouveau matériau à proprement parler, la possibilité d’imprimer des métaux en 3D nous permet de créer des formes qui auraient été impossibles auparavant. Il faut savoir que l’impression 3D est largement utilisée dans la construction des fusées.
Parallèlement à l’impression 3D, la façon dont les métaux sont chauffés et refroidis pour améliorer leurs propriétés continuera sans aucun doute à être utilisée dans l’ingénierie spatiale et aéronautique. Nous pouvons nous attendre à ce qu’un large éventail de nouvelles pièces aérospatiales fabriquées à partir de métal, de silicium et de carbone nous propulsent vers l’avenir.
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