«Ces matériaux peuvent être produits facilement, réutilisés et recyclés. Leurs propriétés auto-réparantes uniques, la simplicité de leur fabrication, leur disponibilité à travers des ressources durables et le prix modique de leurs ingrédients sont parfaits pour de futures applications.» Ces affirmations du Français Ludwik Leibler, tirées d’un article, paru en 2008 dans Nature, sur le caoutchouc auto-réparant qu’il avait découvert, ont de quoi séduire les acteurs du spatial. Des vaisseaux qui se réparent seuls afin de rester en orbite plus longtemps, des tenues d’astronautes capables de se régénérer avant une catastrophe, des habitats lunaires qui resteraient intacts après un impact de météorite… Les perspectives sont enthousiasmantes, mais on peinerait à trouver ce type de matériaux en orbite. Ni Airbus ni Thales, par exemple, n’en utilisent et la Nasa n’en a pas encore fait voler. Pour autant, l’idée fait son chemin dans les labos du spatial.
«Je travaillais déjà sur le sujet lors de mon arrivée à l’ESA [Agence spatiale européenne, ndlr], en 2013, raconte Ugo Lafont, ingénieur en physique et chimie des matériaux. Mais depuis peu, on a l’impression qu’il y a un engouement.» Tous secteurs confondus, la progression est significative. Selon le site ScienceDirect, le nombre de recherches publiées sur les matériaux auto-réparants est passé d’à peine 2 000 en 2008 à 4 000 en 2015, avant de bondir à 11 000 en 2022 et 12 000 en 2023. Le foisonnement de la recherche laisse présager d’applications prochaines, même si leur mise au point est laborieuse.
«La difficulté, c’est qu’il n’y a pas de recette magique. À chaque fois que nous sommes face à une nouvelle situation, il faut presque tout réinventer», reconnaît l’ingénieur. «Nos travaux de 2008 ont eu une grande influence, se souvient François-Genès Tournilhac, qui a participé à l’étude de Ludwik Leibler. Depuis, les travaux ont été très nombreux. Mais pour ce qui est des applications réelles, c’est aujourd’hui que nous constatons un regain d’intérêt.» Et le chercheur de poursuivre : «Nous maîtrisions déjà ces matériaux il y a quelques années. Mais désormais, nous sommes davantage conscients qu’il faut les intégrer dans un système. Ils ne se suffisent pas à eux-mêmes, il faut qu’ils répondent à des fonctions au sein d’un ensemble global.»
Source : Wiley-VCH - Crédit : Industrie & Technologies S’adapter aux conditions extrêmes de l’environnement spatial
D’importants progrès ont été accomplis. Nous estimons que First! pourra faire passer les matériaux auto-réparants au niveau 4 ou 5 de l’échelle TRL.
— Un porte-parole de l’ESA
Du côté de l’ESA, les matériaux auto-réparants sont étudiés de manière plus importante depuis 2023, à travers le programme First! (Future innovation research in space transportation), dont l’objectif est de rendre l’espace plus sûr, avec des engins spatiaux plus résistants et plus durables. «D’importants progrès ont été accomplis récemment, précise un porte-parole de l’ESA. Nous estimons que First! pourra faire passer les matériaux auto-réparants au niveau 4 ou 5 de l’échelle TRL. Et c’est au niveau 6 que nous pourrons envisager un vol spatial. Jusque-là, nous en étions loin, mais les choses évoluent.» En septembre 2023, l’agence a bouclé un projet de recherche dédié à la sécurité dans les habitats spatiaux gonflables. Un type de structure prometteur et peu encombrant, mais fragile, qu’il faut protéger contre les débris et les micrométéorites.
Pour faire de ces modules, envisagés pour des voyages vers la Lune ou vers Mars, des lieux plus durables, l’idée a été d’utiliser des polymères supramoléculaires, un type de polymères dont les monomères sont liés par des liaisons non covalentes, réversibles donc capables de se reformer si elles sont brisées. Placés entre des couches de matériaux solides, les monomères de cette résine peuvent, lors d’une détérioration due à un choc, se servir de la chaleur générée par ce choc pour reformer des liaisons et «réparer» les parties dégradées. L’ESA a travaillé sur ce sujet avec l’entreprise suisse CompPair, spécialiste des composites auto-cicatrisants. «La difficulté, c’est de s’adapter à l’environnement, pointe Amaël Cohades, son président. En particulier aux conditions dans l’espace, qui sont très rudes pour des matériaux fragiles.» La société et l’ESA continuent de collaborer pour améliorer la technologie existante.
La Nasa travaille de son côté sur des matériaux similaires, notamment sur la base des travaux de Scott Zavada, chimiste à l’université du Michigan, qui a conçu, en 2019, une structure en sandwich. Au milieu, une résine liquide, du polyéthylène, qui devient solide lorsqu’elle est mise en contact avec de l’oxygène. Ce qui se produit lorsque la structure est traversée par un projectile. Pour mener à bien son expérience, le chercheur a procédé à des tirs balistiques simulant un impact de micrométéorite. «Ce concept peut créer des murs capables de se soigner de manière autonome après de multiples perforations par des projectiles. Ce qui peut préserver l’atmosphère à l’intérieur de vaisseaux pressurisés, comme ceux qui sont utilisés pour les missions habitées», écrit-il. Les capsules qui mènent les astronautes jusqu’à la Station spatiale internationale et les vaisseaux lancés vers la Lune ou vers Mars pourraient en tirer profit.
Déjà des applications dans le béton
Le béton est avancé dans l’auto-réparation. L’entreprise néerlandaise Basilisk commercialise depuis 2017 une solution développée par l’université de technologie de Delft. Incrustées dans le béton, des bactéries réagissent au contact de l’oxygène ou de l’eau – c’est-à-dire en cas de fissure. Elles se multiplient et convertissent les nutriments présents en carbonate de calcium, comblant les craquelures. Basilisk a réalisé de nombreuses constructions avec ce béton, principalement aux Pays-Bas. Si sa solution ne s’est pas généralisée, c’est parce que sa composition varie selon le besoin. Un mur, un pont ou un sol ne se construisent pas de la même manière, chacun exigeant un matériau sur mesure. Avec cette technologie, les constructions sont plus durables et leur empreinte carbone réduite. Selon une étude de 2022, le ciment auto-réparant est très prometteur, mais encore loin d’être utilisable à l’échelle industrielle.
Auto-réparation de panneaux solaires abîmés par les radiations
L’un des obstacles à l’usage des matériaux auto-réparants dans l’espace tient à leur… fragilité dans l’environnement spatial, oxygène atomique et radiations en tête, ce qui impose habituellement de les encapsuler dans des structures. Mais des recherches en cours visent à le surmonter. La start-up américaine Solestial a décroché en novembre un contrat de 850 000 dollars auprès de la Nasa pour ses panneaux solaires couverts d’un revêtement capable d’effacer les dégâts provoqués par les radiations. Quelques mois auparavant, une étude australienne présentait des panneaux solaires composés de pérovskite, pouvant se régénérer avec à la chaleur du soleil grâce à un film transparent très fin recouvrant les cellules. Le Cnes travaille quant à lui sur des revêtements et des colles destinés à recouvrir certains équipements des engins spatiaux, comme les câbles électriques et les panneaux solaires.
Des résultats étonnants publiés en juillet 2023 dans Nature pourraient encore accentuer l’intérêt du secteur spatial pour les matériaux auto-réparants en étendant la gamme au-delà des seuls polymères et verres. Ces travaux ont montré que des métaux purs pouvaient réparer tout seuls leurs fissures de fatigue, via une sorte de soudage à froid dans le vide ! «Cette propriété pourrait être utilisée dès la conception, prévoit Ugo Lafont. Pour éviter des défauts de fabrication internes, nous pourrions chauffer la pièce, avec un simple fer à repasser, et réparer les défauts qui sont invisibles à première vue.» De quoi améliorer la durabilité des lanceurs réutilisables, avec des réparations plus rapides et moins coûteuses que les longues révisions actuelles entre deux vols.
« Ces matériaux permettraient d’étendre la durée de vie des satellites »
Sophie Perraud, experte en matériaux et revêtements thermiques au Cnes
Où en sont les recherches du Cnes sur les matériaux auto-cicatrisants ?
Actuellement, nous en sommes à la phase de la thèse de doctorat. La première a été présentée en octobre 2023 et la prochaine le sera dans trois ans. Tout cela est parti de l’idée de concevoir des matériaux résistants à l’espace, aux conditions particulières dans lesquelles nous envoyons nos satellites. Notre réflexion nous a menés jusqu’aux matériaux auto-cicatrisants, qui peuvent être décisifs. Nous aimerions avoir ce type de technologie sur des revêtements, des colles, qui pourraient se reconstruire ou se réparer en cas de fissure. Cela permettrait d’étendre considérablement la durée de vie d’un satellite.
Quelles sont les perspectives de mise au point de ces matériaux ?
Nous sommes assez confiants. Les problèmes que nous rencontrons sont principalement le jaunissement et la fissuration des matériaux. Pour les éviter, nous en modifions la chimie. Et cela sans provoquer de dégradations supplémentaires. En revanche, le processus de mise au point est très long, et les essais de qualification nombreux. Nous n’avons pas encore réalisé toutes les validations en environnement spatial simulé, et nous sommes encore loin de faire voler quoi que ce soit. Il faudrait compter au moins une dizaine d’années avant d’en arriver là !
Quelle avancée ces matériaux peuvent-ils représenter pour le spatial ?
Il s’agit avant tout d’inscrire le spatial dans une vision durable. Au Cnes, nous avons l’ambition d’un spatial qui a du sens. Les satellites doivent durer suffisamment longtemps pour rentabiliser l’investissement et l’énergie consommée pour les développer et les produire. Nous ne pouvons pas nous contenter de faire des satellites à la chaîne sans nous poser de questions ! Quand nous lançons quelque chose, nous devons nous demander si c’est utile, si le coût en CO2 émis en vaut la peine. Et si nous pouvons les faire tenir plus longtemps, c’est mieux.
