Cet article montre comment un groupe leader de l’industrie chimique (BASF) accompagne les acteurs de l’industrie automobile dans la recherche de nouvelles technologies qui conduisent aussi bien à une réduction des émissions et de la consommation en carburant qu’à l’amélioration du confort et de la sécurité.

La chimie est répartie sur un grand nombre de composants touchant à de nombreux domaines techniques : matières plastiques, peintures, mousses, tissus, catalyseurs…

Illustrées à travers le cas du véhicule électrique, des solutions innovantes se développent avec des matières plastiques de performances plus légères : roues renforcées de fibres plastiques. Des matériaux autres que métalliques sont envisagés pour rigidifier la partie structurelle du véhicule : structures et portes en résine époxy. De nouveau concepts sont utilisés pour gérer la température : pigments réfléchissants les infrarouges, toits solaires composés de cellules photovoltaïques organiques et d’OLED, mousses hautes performances dans les portes…

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De nombreux exemples concernant les structures, les matériaux, la thermodynamique et l’électrotechnique montrent que la chimie est omniprésente sur nombre de fonctions des navires et qu’elle participe de façon importante à la définition du navire du futur.

L’oxygène de l’air des sous-marins est produit par électrolyse et l’air est purifié par des zéolithes. La propulsion électrique se développe au moins à titre de compléments via des batteries Li-ion et des piles à combustibles. La chimie se cache dans de nombreux aspects, et même des aspects essentiels, de la construction navale. On voit se développer l’utilisation des matériaux composites ainsi que de façon spectaculaire l’usage des colles.

La lutte contre la corrosion, le respect de l’environnement extérieur (élimination des NO_x et des SO_x) reposent largement sur des procédés de la chimie.

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Les défis technologiques considérables auxquels conduit le développement des transports spatiaux et terrestres sont rappelés à partir d’exemples. On veut augmenter les rendements pour réduire à la fois la consommation et les émissions polluantes et sonores.

La complexité des phénomènes rend indispensable le recours aux méthodes théoriques et expérimentales les plus avancées dans lesquelles la thermodynamique et la cinétique chimiques jouent un rôle central. Les exemples choisis montrent que la chimie est au cœur de tous les phénomènes de combustion. Les conditions particulières de cinétique de réactions multi-espèces et d’écoulements turbulents la rendent délicate à traiter et exigent de gros efforts de R&D transdisciplinaires entre scientifiques et industriels. Des progrès spectaculaires sont réalisés dans ce domaine de la propulsion où règne une ardente compétition internationale.

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Fruit d’une évolution plus que millénaire, l’aspect scientifique et technologique des infrastructures routières est souvent méconnu alors que son importance est capitale car les routes sont longues et coûteuses à construire et leur qualité engage le genre de vie des habitants pour des décennies.

Par exemple, l’autoroute actuelle dotée d’un revêtement drainant qui nous laisse croire que la chaussée est sèche même sous une pluie battante est le fruit d’une évolution spectaculaire dans la formulation des bétons. Cet article fait un point très complet sur l’évolution des propriétés structurales et fonctionnelles des nouveaux bétons et des nouveaux matériaux composites utilisés dans les infrastructures routières ainsi que sur la R&D dans ce domaine.

Cette évolution est loin d’être terminée : la route du futur devra s’adapter à l’électrification, à l’automatisation, à la multi-modalité et au partage. De support passif elle deviendra un élément actif de la sécurité, de l’alimentation en énergie et de la communication. Cette évolution actuelle et future va de pair avec la mise au point de nouveaux matériaux qui ajoutent, à la fonctionnalité première de la route, des fonctionnalités thermiques, électriques, optiques ou encore catalytiques. Les idées avancées, parfois futuristes, indiquent des voies de recherche très stimulantes pour les scientifiques et les ingénieurs de la profession.

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Les moteurs électrique et thermique sont comparés en termes de performance et en matière de coût, et le moteur électrique apparaît comme un concurrent sérieux. Cependant, à cause du problème de stockage de l’énergie, le véhicule électrique à batterie n’est pas encore une alternative générale au véhicule thermique, le principal handicap étant la lourdeur de la recharge.

L’électrification étant la seule voie pour diminuer les émissions de CO₂, des efforts importants de recherche dans le développement de nouveaux matériaux doivent être faits dans l’électronique de puissance et les batteries pour rendre l’équation économique de l’électrification possible.

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Les matériaux poreux jouent un rôle important dans l’amélioration du confort des véhicules et la durabilité des véhicules et des routes. Les différents types de matériaux, ainsi que les procédés de fabrication et leurs domaines d’applications, sont présentés : matériaux fibreux, mousses (polyuréthane, mélamine, mousses métalliques), textiles et plaques perforées.

Des exemples, principalement choisis dans le domaine des mousses, sont analysés en termes de liens entre microstructures et propriétés ou fonctionnalités finales, notamment dans le domaine thermique et acoustique.

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Les alliages d’aluminium, légers, à haute performance et recyclables, sont un levier clé pour l’allègement des structures qui sont aujourd’hui multi-matériaux. Les critères de choix, les défis et les exigences sont analysés selon les domaines d’application. Les challenges à résoudre vont de la fabrication des matériaux jusqu’à leur mise en œuvre.

Des exemples d’applications spécifiques à chacun des domaines expliquent le rôle clé joué par la chimie de la métallurgie des alliages, notamment celle des alliages à durcissement structural. Elle concerne la maîtrise des états métallurgiques et aussi l’amélioration de l’éco-efficience des procédés de fabrication, de la fusion au traitement de surface.

Pour l’aéronautique, les nouvelles technologies de la famille d’alliages Al-Cu-Li à faible densité et à haute résistance aux dommages sont décrites.

Pour l’automobile les efforts portent sur l’amélioration du compromis résistance mécanique-formabilité de produits laminés pour carrosseries et sur la recherche de solutions pour les structures.

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Trois exemples particulièrement importants ont été choisis pour illustrer les efforts que devra faire la chimie européenne dans le cycle de développement de l’aéronautique. Il s’agit de trouver des solutions et des nouvelles technologies en matière de stockage de l’énergie, de réduction des émissions de dioxyde de carbone et de remplacement des matériaux préoccupants sur le plan de la toxicité. Les trois exemples sont expliqués et analysés dans le cadre spécifique du transport aérien.

Pour l’avenir, les batteries et les piles à combustible sont un grand défi. Si, à l’heure actuelle, les batteries Li-ion sont privilégiées, les batteries Li-air sont une solution prometteuse. D’autres défis sont exposés :

• réduire les émissions et le développement des biocarburants de troisième génération issus des micro-algues apparaît comme une solution à fort potentiel pour l’aéronautique ;
• trouver des produits de remplacement à coût acceptable pour remplacer les métaux comme le plomb, le chrome et le cadmium, utilisés dans l’aviation civile et militaire.

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Depuis trente ans l’utilisation de la zircone a contribué à réduire notablement la pollution par les hydrocarbures imbrulés, le monoxyde d’azote et les oxydes de carbone. La chimie de la zircone et les applications de son dopage à l’yttrium sur la conductivité ionique, fonction clé dans les applications, sont exposées.

Le fonctionnement des capteurs potentiométriques d’oxygène associés aux pots catalytiques, des capteurs ampérométriques d’oxygène et des capteurs à oxydes d’azote sont expliqués.

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L’analyse des procédés utilisés pour fabriquer les éléments constituants d’une automobile montre que la catalyse est omniprésente, notamment dans la conception de quatre d’entre eux : le carburant, les pots catalytiques, les pneumatiques et les matières plastiques pour les pièces techniques.

Pas moins d’une quarantaine de procédés catalytiques utilisent toutes les classes de systèmes catalytiques hétérogènes : catalyseurs à base de sulfures, catalyseurs métalliques, catalyseurs d’oxydation ménagée, catalyseurs acides et un certain nombre de catalyseurs homogènes. En plus d’un point clair et complet, les axes importants d’évolution pour l’avenir sont exposés. Ils concernent notamment l’allègement des véhicules, les matériaux bio-sourcés et les voitures électriques ou hybrides.

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