Création d'un nouveau partenariat pour la production de matériaux légers destinés à l'industrie spatiale
L'Institut luxembourgeois des sciences et technologies (LIST) a annoncé un nouveau partenariat avec l'entreprise luxembourgeoise Gradel pour la recherche et la production de structures ultralégères destinées à l'industrie aéronautique et spatiale. Des pièces seront produites pour trois géants européens de la construction de satellites : Thales Alenia Space (France), Airbus Defence and Space (France) et OHB (Allemagne).
Dans le domaine de l'espace et des satellites, le poids est cher. Plus un produit destiné à être transporté dans l'espace est lourd, plus il coûte cher. En fait, on estime actuellement les coûts à environ 5 000 à 10 000 euros par kilogramme, ce qui signifie que toute perte de poids est financièrement avantageuse pour les entreprises qui envoient des satellites dans l'espace.
Le nouveau partenariat vise à produire des structures très résistantes mais ultra-légères en utilisant des polymères renforcés par des fibres de carbone continues (PRFC) dans un processus d'enroulement filamentaire créant des structures 3D ultra-légères.
La fibre de carbone est recouverte d'un polymère qui solidifie l'ensemble de l'objet, le rendant extrêmement solide et résistant. Les fibres de carbone imprégnées sont enroulées pour former un maillage 3D optimisé qui confère à la pièce ses propriétés mécaniques particulières.
Deux projets seront menés dans les laboratoires du LIST-Gradel. Le premier, appelé "xFKin3D", consiste à fabriquer des pièces à la main avec un tissage manuel du filament. Il visera à démontrer les normes d'utilisation dans l'espace des pièces structurelles produites par la technologie xFKin3D.
Le second projet, baptisé "Robotised xFKin3D", consistera à produire les mêmes pièces que le premier projet, mais à l'aide d'un nouveau bras robotisé récemment installé au LIST, ce qui en fera un processus de fabrication entièrement automatisé, garantissant une excellente répétabilité, la même résistance et la même qualité, mais à une plus grande échelle.
Les composants produits sont destinés à être utilisés dans tout ce qui est support d'antenne, support d'équipement dans les satellites. Actuellement, beaucoup de ces pièces sont métalliques et donc relativement lourdes. L'objectif est d'abandonner les pièces métalliques et, grâce à cette nouvelle technologie de LIST et Gradel produite au Luxembourg, il est possible de réduire le poids jusqu'à 75%, ce qui permet aux entreprises de réaliser des économies considérables.
Les deux projets sont soutenus par le programme spatial national luxembourgeois LuxIMPULSE, qui vise à fournir des fonds pour aider les entreprises établies au Luxembourg à commercialiser des idées innovantes. Le programme est géré par l'Agence spatiale luxembourgeoise (LSA) en collaboration avec l'Agence spatiale européenne (ESA).
Une nouvelle fibre de carbone pour les pales d'éoliennes pourrait apporter des avantages en termes de coûts et de performances
Selon une étude menée par des chercheurs des Sandia National Laboratories, un nouveau matériau à base de fibres de carbone pourrait, s'il était développé commercialement, apporter des avantages en termes de coûts et de performances à l'industrie éolienne.
Les pales d'éoliennes en fibre de carbone pèsent 25% de moins que celles fabriquées à partir de matériaux traditionnels en fibre de verre. Cela signifie que les pales en fibre de carbone pourraient être plus longues que celles en fibre de verre et, par conséquent, capter plus d'énergie dans les endroits où le vent est faible. Le passage à la fibre de carbone pourrait également prolonger la durée de vie des pales, car les matériaux en fibre de carbone ont une grande résistance à la fatigue, a déclaré Brandon Ennis, chercheur en énergie éolienne au Sandia Labs et principal investigateur du projet.
Le projet est financé par l'Office des technologies de l'énergie éolienne du ministère de l'énergie, qui fait partie de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables. Les partenaires du projet sont le laboratoire national d'Oak Ridge et l'université d'État du Montana.
Parmi toutes les entreprises produisant des éoliennes, une seule utilise largement des matériaux en fibre de carbone dans la conception de ses pales. Les pales d'éoliennes sont les plus grandes structures composites d'un seul tenant au monde, et l'industrie éolienne pourrait représenter le plus grand marché pour les matériaux en fibre de carbone en termes de poids si un matériau rivalisant en termes de coût et de valeur avec les composites renforcés de fibre de verre était disponible dans le commerce, a déclaré M. Ennis.
Le coût est la principale considération lors de la conception des composants dans l'industrie éolienne, mais les fabricants de turbines doivent également construire des pales qui résistent aux charges de compression et de fatigue qu'elles subissent lorsqu'elles tournent pendant une période pouvant aller jusqu'à 30 ans.
Ennis et ses collègues se sont demandé si une nouvelle fibre de carbone bon marché mise au point au laboratoire national d'Oak Ridge pouvait répondre aux besoins de performance tout en apportant des avantages en termes de coûts à l'industrie éolienne. Ce matériau part d'un précurseur largement disponible dans l'industrie textile, qui contient d'épais faisceaux de fibres acryliques. Le processus de fabrication, qui chauffe les fibres pour les convertir en carbone, est suivi d'une étape intermédiaire qui consiste à tirer la fibre de carbone pour en faire des planches. Le processus de pultrusion pour la fabrication des planches permet de créer des fibres de carbone très performantes et fiables, nécessaires à la fabrication des lames, et permet également d'atteindre une capacité de production élevée.
Lorsque l'équipe de recherche a étudié cette fibre de carbone bon marché, elle a découvert qu'elle était plus performante que les matériaux commerciaux actuels en ce qui concerne les propriétés spécifiques au coût qui présentent le plus d'intérêt pour l'industrie éolienne.
L'ORNL a fourni des échantillons de développement de fibre de carbone provenant de sa Carbon Fiber Technology Facility et des composites fabriqués à partir de ce matériau, ainsi que des composites similaires fabriqués à partir de fibre de carbone disponible dans le commerce, à des fins de comparaison.
Des collègues de l'université d'État du Montana ont mesuré les propriétés mécaniques de la nouvelle fibre de carbone par rapport à celles des composites en fibre de carbone et en fibre de verre standard disponibles dans le commerce. M. Ennis a ensuite combiné ces mesures avec les résultats de la modélisation des coûts de l'ORNL. Il a utilisé ces données dans une analyse de la conception des pales afin d'évaluer l'impact sur le système de l'utilisation de la nouvelle fibre de carbone, au lieu de la fibre de carbone standard ou de la fibre de verre, comme principal support structurel d'une pale d'éolienne. L'étude a été financée par l'Office des technologies de l'énergie éolienne du ministère américain de l'énergie.
Ennis et ses collègues ont constaté que le nouveau matériau en fibre de carbone présentait une résistance à la compression supérieure de 56% par dollar à celle de la fibre de carbone disponible dans le commerce, qui constitue la référence de l'industrie. Généralement, les fabricants s'accommodent d'une résistance à la compression plus faible en utilisant plus de matériaux pour fabriquer un composant, ce qui augmente les coûts. Compte tenu de la résistance à la compression plus élevée par rapport au coût de la nouvelle fibre de carbone, les calculs d'Ennis ont permis de prévoir une économie d'environ 40% sur les coûts des matériaux pour un capuchon de longeron, qui est le principal composant structurel d'une pale d'éolienne, fabriqué à partir de la nouvelle fibre de carbone par rapport à la fibre de carbone commerciale.