La vie telle que nous la connaissons aujourd’hui est issue d’un long processus d’évolution chimique et biologique qui trouve son origine il y a environ 4 milliards d’années. Sur notre Terre primitive, une chimie complexe, dite prébiotique, s’est mise en place dans un contexte géochimique extrême. Cette chimie prébiotique fait l’objet d’importantes recherches avec comme écueil principal, l’absence de traces fossiles. C’est pourquoi, les recherches se focalisent sur la synthèse des molécules essentielles à la vie, principalement les oligonucléotides (ARN, ADN) et les protéines.

Les monomères de ces deux classes de molécules (acides aminés, sucres, nucléobases) sont issus d’une chimie organique simple, possible à la fois sur Terre mais aussi sur différents corps célestes. C’est ainsi que des acides aminés naturels et des nucléobases ont été analysés sur des météorites. De récentes études ont aussi montré la possibilité de synthétiser des sucres dans des glaces cométaires. Sur notre Terre primitive, cette matière organique, endogène et exogène, a pu évoluer pour donner des ARN et des protéines. Néanmoins, cette étape d’évolution chimique présente des difficultés importantes, principalement en termes d’énergie et nécessite un environnement anhydre. Tout indique que le monde minéral est capable à la fois de lever ce problème énergétique, et aussi d’assurer la stabilité moléculaire.

Les hypothèses actuelles d’apparition d’une vie telle que nous la connaissons sont présentées dans un contexte géologique et géochimique redéfini. Ce point de départ nous éclairera sur les conditions à la fois d’habitabilité et d’émergence du vivant, en vue d’une recherche de vie sur d’autres planètes.

La recherche des traces d’une forme de vie extraterrestre s’étend de l’analyse chimique in situ sur des corps célestes voisins à l’analyse spectrométrique de signaux lumineux en provenance d’étoiles distantes. Les entités chimiques recherchées, les moyens mis en œuvre différent et l’interprétation des signaux recueillis sont délicats et discutés.

Ces méthodes peuvent être remplacées par des méthodes fondées sur la détection ciblée de molécules dont la présence serait considérée comme une preuve univoque d’une activité biogénique et sur les composés de dégradation des molécules mères altérées par l’évolution de l’environnement planétaire, les réactions avec le substrat qui les héberge et le temps. Les exobiologistes visent en premier lieu la planète Mars, proche, explorable et susceptible d’avoir pu connaitre une forme de chimie pré biotique similaire à ce qui s’est produit sur Terre. La recherche de traces d’une telle chimie sur les satellites glacés des planètes géantes (Europe, Titan, Encelade) se fonde sur des hypothèses moins établies et soulève des difficultés techniques nouvelles liées à l’environnement dans lequel se feraient ces mesures.

La recherche de traces de vies sur les planètes extrasolaires repose exclusivement sur l’analyse spectrométrique des modifications de la lumière de leur étoile. Les conditions d’interprétation sont multiples, l’instrumentation difficile à concevoir et délicate à construire. Dans la plupart des hypothèses, les observations imposent des solutions spatiales. Les premiers observatoires vont être lancés dans les prochaines années (JWST, ChEOPS, PLATO, TESS…) et complèteront la batterie des observatoires terrestres qui détectent les exoplanètes. Il demeure la difficulté théorique à la détermination de biomarqueurs ou à la définition de biosignatures.

La présence de molécules diatomiques dans les atmosphères du Soleil et d’étoiles proches est connue depuis l’obtention des premiers spectres astronomiques à haute résolution malgré les conditions extrêmes qui y règnent : températures de quelques dizaines de kelvin (<-200 °C), densités de quelques milliers d’atomes par cm³ (des milliards de milliards de fois plus faibles que celle de l’atmosphère terrestre), intense rayonnement UV et de particules cosmiques.

La première molécule interstellaire a été découverte il y a juste 80 ans de façon fortuite. Il s’agissait du radical CH, une espèce très instable dans l’environnement terrestre. Le monoxyde de carbone, CO, a suivi de peu. Aujourd’hui, près de 200 espèces moléculaires sont identifiées dans les « nuages » circumstellaires. La moitié est constituée de molécules organiques comportant jusqu’à 70 atomes de carbone ! D’autres contiennent des atomes lourds comme l’aluminium le silicium ou le fer. Un bon tiers est formé d’ions ou de radicaux instables, dont la plupart n’avaient jamais été étudiés au laboratoire. Une soixantaine d’espèces sont observées au-delà de notre Galaxie, certaines, comme CO et H₂O, aux confins mêmes de l’Univers.

Cette présentation tente de répondre aux grandes questions suivantes :

• Comment peut-on les observer et les identifier ?
• Comment se forment-elles et peuvent-elles survivre dans un milieu aussi inhospitalier ?
• Quand sont-elles apparues ?
• Quel rôle jouent-elles dans la formation des nébuleuses, des étoiles et des planètes ?
• Ont-elles participé à l’apparition de la vie ?

Le besoin de réduction de la consommation d’énergie du transport aérien se traduit par des objectifs ambitieux d’allègement des structures aéronautiques. Le compromis entre poids de la structure et coût de sa fabrication crée de nouveaux défis pour les matériaux pour application aéronautique. Un défi supplémentaire pour les alliages d’aluminium vient de la part croissante d’autres familles de matériaux dont notamment les composites à matrice polymère.
 

Le coût d’une pièce aéronautique dépend majoritairement des technologies de fabrication, dont le formage, l’assemblage, les traitements de protection. Des améliorations de propriétés telles que la résistance mécanique ou la tolérance aux dommages permettent d’augmenter les contraintes mécaniques admissibles et ainsi réduire les sections (et poids) utilisés. En réponse à ces challenges, l’industrie de l’aluminium développe de nouvelles solutions pour les applications aéronautiques. La nouvelle famille d’alliages Al-Cu-Li de Constellium qui permet d’illustrer l’amélioration des performances ainsi obtenues est présentée comme exemple de R&D.

À l’autre extrême, des exemples de méthodes de calcul de structures innovantes pour définir des démonstrateurs à échelle un, qui sont ensuite fabriqués en collaboration avec les clients aéronautiques sont utilisées pour la mise au point des structures aéronautiques du futur.

Aujourd’hui le développement de nouveaux matériaux reste un grand défi de l’aéronautique qui vise à rendre les avions plus sûrs, plus propres et plus performants. Même si les matériaux composites s’imposent et constituent aujourd’hui une part importante d’un avion, les métaux et leurs alliages restent incontournables pour leur résistance au choc, leur recyclabilité et leurs propriétés intrinsèques comme par exemple la conductivité électrique. Aujourd’hui des efforts en sciences des matériaux sont largement entrepris et doivent être poursuivis afin de réaliser les progrès technologiques qui concernent notamment le développement de matériaux multifonctionnels ; la prise en compte de l’interface composite/métal ou encore l’utilisation de nouveaux composés tels que le graphène dont le degré de maturation technologique doit être augmenté.

L’équipe « Revêtements et Traitements de Surface » du CIRIMAT développe dans le cadre d’un partenariat pérenne avec les industriels de l’aéronautique des travaux de recherche dans le domaine de l’ingénierie des surfaces, interfaces et revêtements en mettant en œuvre des procédés par voie liquide. Des exemples de nouveaux revêtements développés pour des pièces de structure ou des pièces mécaniques sont décrits. Ils montrent les corrélations composition chimique/structure/microstructure à l’origine des propriétés fonctionnelles telles que la protection contre la corrosion, la purification de l’air ambiant dans les cabines et la protection thermique des pièces soumises à de hautes températures.

Dans la prochaine décennie, le besoin de satellites notamment d’observation dédiés à une seule tâche dans des domaines très variés et disponibles partout et à tout moment, comme d’autre part la nécessité de l’accès à internet pour tous, va entrainer le lancement de plus de 10000 satellites qui devront être miniaturisés : de 1 à 100 kg, 300 kg maximum. Ce changement d’échelle entraine une révolution dans le domaine de la propulsion et impose de maitriser la trajectoire de ces mini-satellites et de développer la micro propulsion électrique. Le principe et les défis à résoudre sont clairement et simplement exposés. La chimie des plasmas joue un rôle important dans le choix et la maitrise des carburants utilisés pour cette nouvelle génération de propulseurs spatiaux.

Montée en cadence de la nouvelle gamme de moteurs LEAP, réduction des coûts d’exploitation pour les compagnies aériennes, recherches de solutions pour améliorer le rendement des futurs moteurs et baisse de la masse des équipements embarqués, les challenges techniques ne manquent pas pour le périmètre des matériaux et procédés appliqués au domaine aéronautique !

C’est ainsi que le composite à matrice organique avec tissage de fibres de carbone va remplacer le titane sur les aubes de la soufflante des nouveaux moteurs. Le titane va se substituer aux alliages nickel sur les aubes des compresseurs basse-pression et à l’acier sur certaines pièces forgées des trains d’atterrissage. Les procédés innovants comme la fabrication additive ouvrent également de nouvelles libertés de conception et vont permettre d’accélérer le développement de la filière d’élaboration des poudres métalliques. Enfin, les céramiques, au comportement réfractaire, devraient voir leur domaine d’application s’agrandir moyennant une baisse progressive des coûts.

En support à ces développements de solutions matériaux de plus en plus complexes, la chimie apparait comme une science indispensable pour prédire des compositions chimiques optimales pour les matériaux ou encore pour développer des revêtements résistants à la corrosion y compris à de hautes températures.

La simulation numérique est de plus en plus déployée dans ce domaine, l’arrivée des méthodes de design numérique des matériaux va incontestablement modifier les approches actuelles basées avant tout sur des essais physiques.

Entre satellite et drone, Stratobus™ est une plateforme stratosphérique haute altitude (High Altitude Stratospheric Platform) autonome et permanente à partir de laquelle Thales Alenia Space prévoit d’offrir un large spectre de missions d’observation, de surveillance, de télécommunications, de contrôle environnemental et de renfort de navigation GPS.
 

Positionné à l’altitude de 19 km, Stratobus™ pourra atteindre la stratosphère en quelques heures et se déplacer sur des milliers de km pour se placer au-dessus de sa zone d’utilisation au moyen de ses propulseurs électriques à hélices. Une fois en position, la plateforme s’appuie sur plusieurs innovations et des technologies propres pour capter et convertir une grande quantité d’énergie solaire en puissance électrique nécessaire à son fonctionnement de jour, mais également stocker une partie de cette énergie pour continuer sa mission de nuit. Relevant le défi de masse qui caractérise les « plus légers que l’air  », Stratobus™ emporte en standard une charge utile de 250 kg consommant 5000 W, qui permet de transférer de l’information en temps réel et d’offrir des capacités de type « satellite géostationnaire » au-dessus d’un territoire d’environ 100.000 km2. D’une durée de vie de dix ans, Stratobus™ sera ramené sur Terre une fois par an pour effectuer sa maintenance, avec une maintenance importante au bout de cinq ans.

Une première offre de missions commerciales est prévue dès 2021.

Les instruments optiques spatiaux sont des objets complexes soumis à de très nombreuses contraintes d’environnement (lancement, vide spatial, radiation) tout en fournissant des performances exceptionnelles nécessaires aux missions d’observation de la Terre, d’exploration de notre système solaire ou de connaissance de l’univers. Face à de telles contraintes, le choix des matériaux optiques et structuraux est un élément fondamental tant pour les performances que la compétitivité (coût, délai de réalisation) de la solution. Au travers de plusieurs exemples concrets, sont illustrés les principaux problèmes à résoudre et les solutions trouvées en termes de matériaux et de procédés de fabrication.

L’adoption des matériaux composites à matrice polymérique par l’industrie aéronautique n’a cessé d’augmenter au cours des dernières décennies. Ils jouent maintenant un rôle essentiel dans le design de structures aéronautiques tant bien commerciales que militaires (avions, hélicoptère, moteurs, missiles). Chaque application s’accompagne évidemment d’un cahier des charges spécifique. La sélection de la chimie de la matrice en fonction de l’application est illustrée au travers de quelques exemples. Le rôle essentiel de la chimie dans le développement de matériaux composites adressant les nouveaux besoins de l’industrie aéronautique est également discuté.