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L’objectif est d’améliorer encore ce matériau grâce à de nouvelles connaissances précises. La prochaine série de tests sur l’ISS, portant sur d’autres alliages, est déjà en préparation. Le projet est financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG).
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
L'apesanteur qui règne à bord de la Station spatiale internationale est à l'origine de la mission menée dans l'espace par les chercheurs en science des matériaux de Sarrebruck. Là-haut, à environ 400 kilomètres d'altitude, la Terre n'a pas perdu sa force d'attraction, celle-ci est presque aussi forte qu'ici : l'ISS est donc en chute. Cependant, comme la station spatiale avance à grande vitesse, elle ne s’écrase pas, mais tourne en permanence en cercle autour de notre planète – et, en chute libre, tout ce qui se trouve à bord semble flotter en apesanteur. C’est précisément cet état de suspension permanent qui intéresse l’équipe de recherche de Ralf Busch, de l’Université de la Sarre : pour leurs mesures, ils ont besoin de gouttes de leur nouvel alliage qui « restent immobiles ».
Ralf Busch est l’un des pionniers internationaux du verre métallique. Il s’agit de métaux qui se solidifient sous forme de verre. Dans le cadre de nombreux projets de recherche financés notamment par l’UE, le gouvernement fédéral allemand et la DFG, Busch et son équipe développent et perfectionnent ces alliages innovants dotés de propriétés sur mesure. Le terme « verre » ne signifie pas que le verre métallique soit fragile. Au contraire : ces alliages sont plus résistants que l’acier. « En même temps, ils sont élastiques et, à une température élevée , malléables comme du plastique, ce qui permet de les traiter par moulage par injection ou par impression 3D métallique », explique Ralf Busch. Les verres métalliques peuvent ainsi prendre n’importe quelle forme, aussi complexe soit-elle, ce sur quoi le chercheur en matériaux et son équipe mènent également des recherches. Son groupe de travail à l’Université de la Sarre détient plusieurs brevets portant sur des alliages innovants, ultra-résistants et dotés de nouvelles propriétés.
Grâce aux verres métalliques, les chercheurs développent de nouveaux matériaux dotés de propriétés sur mesure pour une utilisation, par exemple, dans les moteurs et les machines : il peut s’agir de nouveaux composants qui améliorent l’efficacité énergétique des moteurs électriques, ou encore de vis et de pièces complexes si résistantes qu’elles peuvent supporter les conditions les plus extrêmes dans le secteur aérospatial.
Comment les métaux se solidifient pour former du verre
Ces alliages métalliques portent le nom de « verre » en raison de leur structure interne. « Les métaux classiques ont une structure cristalline, leurs atomes sont disposés selon un réseau », explique Ralf Busch. Les atomes y sont soigneusement rangés dans leurs réseaux cristallins. Ce n’est pas le cas des verres métalliques : leur structure interne semble désordonnée, comme celle du verre. « Les atomes sont désordonnés. À l’instar du verre, les verres métalliques sont amorphes », précise le professeur spécialisé dans les matériaux métalliques. Pour y parvenir, les chercheurs empêchent le métal en fusion de cristalliser et identifient des alliages qui le font beaucoup plus lentement. De cette manière, les atomes ont du mal à s’assembler dans le bon ordre pour former des cristaux, et le métal en fusion se solidifie avec ses atomes désordonnés.
Le fait que ce « solidification en verre » fonctionne et que les alliages présentent en outre les propriétés requises, notamment pour l’impression 3D métallique, est le fruit de nombreuses années de recherche. La composition des différents types d’atomes doit être parfaitement équilibrée dans la formule des alliages. « Il faut des années pour développer un tel alliage. Nous les concevons dans un espace de concentration multidimensionnel afin de ralentir la cristallisation et d’obtenir les propriétés souhaitées », explique M. Busch. Dans le cadre de ses recherches, il collabore depuis des décennies, entre autres, avec la NASA, avec le « Jet Propulsion Laboratory » en Californie, qui construit et contrôle des satellites et des sondes spatiales pour la NASA, ainsi qu’avec le Centre allemand pour l’aéronautique et l’astronautique.
Des alliages à base de nickel à haute résistance s’envolent vers l’ISS
Conformément au programme, la série d'expériences menées dans l'espace se concentrera, du 31 août au 4 septembre, sur des alliages de nickel-niobium et de nickel-niobium-soufre. Le premier a été découvert dès 1967 au Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis. Le second provient du laboratoire de Busch, situé sur le campus de Sarrebruck. Grâce à ces expériences en apesanteur, son équipe souhaite approfondir les connaissances sur les propriétés physiques du verre métallique. À bord de l’ISS, les chercheurs étudient notamment la tension superficielle, la viscosité, les comportements de dilatation, de sous-refroidissement et d’oscillation, ainsi que la capacité thermique de gouttes en suspension pouvant atteindre 1 700 degrés. « L’alliage est très réactif ; nous n’avons pas besoin de creuset à bord de l’ISS pour liquéfier les billes », explique Busch. Les billes de verre métallique, spécialement fabriquées sur le campus de Sarrebruck par Lucas Ruschel, ancien doctorant de Busch, ont déjà été envoyées à bord de l’ISS. Elles ont été certifiées à l’issue d’expériences menées sur Terre afin de garantir qu’elles ne causeraient aucun dommage à bord de l’ISS.
Les expériences se déroulent dans le module Columbus de l'ESA, au sein du léviteur électromagnétique (EML) installé en 2014 par l'astronaute allemand de l'ESA Alexander Gerst. Lucas Eisenhut, un autre doctorant de Busch, dispose d’une semaine entière pour effectuer des mesures à bord de l’ISS. Il pilote les expériences depuis le centre de contrôle du DLR à Cologne, en collaboration avec le Dr Fan Yang, qui est le candidat à l’habilitation de Busch à Sarrebruck. « L’ISS transmet des vidéos en direct au centre de contrôle, ce qui nous permet d’observer les expériences en temps réel. De notre côté, nous pouvons envoyer des commandes en temps réel directement à l’appareil situé sur l’ISS afin d’ajuster les paramètres du processus et d’influencer l’échantillon et l’expérience », explique Lucas Eisenhut.
Pourquoi une goutte en suspension sur Terre ne suffit pas
Les préparatifs en vue des essais dans l’espace sont en cours depuis des années. Pour cela, les chercheurs ont fait flotter à plusieurs reprises sur Terre des gouttes chaudes de cet alliage : sous vide, dans un champ électromagnétique et électrostatique, au DLR de Cologne. Au Synchrotron allemand DESY, les gouttes ont été examinées à l’aide de rayons X. Lucas Ruschel, qui a entre-temps obtenu son doctorat, a effectué pas moins de 30 vols paraboliques en une seule journée afin d’étudier les gouttes au-dessus de l’Atlantique, au large de la France, pendant les quelque 22 secondes de microgravité.
Ces courtes phases d'essai ne suffisent toutefois pas aux chercheurs : trop de facteurs perturbateurs affectent les mesures sur Terre. Dans les conditions spatiales de l'ISS, cela fonctionne mieux. « Nous nous attendons à des résultats d'analyse nettement plus précis que ce qui est possible jusqu'à présent sur Terre. La force dont nous avons besoin pour vaincre la gravité et maintenir la goutte en place est bien plus importante ici au sol que sur l’ISS. Là-bas, il nous suffit d’exercer des forces très faibles pour maintenir la gouttelette en position. Cela présente des avantages décisifs », explique Ralf Busch. Ici sur Terre, divers facteurs et phénomènes, tels que les courants à l’intérieur de la goutte, perturbent les mesures. « Un autre avantage majeur est la durée d’expérimentation bien plus longue en apesanteur. Sur l’ISS, nous disposons chaque jour de plusieurs cycles d’expérimentation pouvant aller jusqu’à 45 minutes, soit plusieurs heures au total. Cela permet de mener des expériences plus approfondies et d’obtenir des résultats plus complets que lors de vols paraboliques de 22 secondes », ajoute Lucas Eisenhut, doctorant.
L’objectif de cette mission spatiale est d’améliorer encore le matériau grâce à des mesures nouvelles et, espérons-le, d’une précision sans précédent, afin de permettre la mise au point de nouveaux matériaux destinés à l’aérospatiale, à la technologie médicale, aux composants haute performance ou encore aux produits du quotidien. Les prochaines billes, composées d’autres alliages tels que le palladium-nickel-phosphore, qui seront envoyées à bord de l’ISS lors d’une prochaine mission de l’équipe de Busch, sont déjà en cours de préparation.
La science des matériaux à Sarrebruck bénéficie globalement d’un bon réseau dans le domaine spatial. L’équipe du professeur Frank Mücklich, collègue de M. Busch, a également mené des recherches à bord de l’ISS sur des surfaces sur lesquelles les germes pathogènes ne peuvent ni se fixer ni se multiplier. À l’époque, c’est l’astronaute de l’ESA Matthias Maurer, qui a lui-même étudié la science et l’ingénierie des matériaux à l’Université de la Sarre, qui a supervisé ces expériences lors de sa mission spatiale.
La Communauté allemande de recherche (DFG) et l’Agence spatiale européenne (ESA) soutiennent ce projet. L’Institut de physique des matériaux de l’université de Münster, dirigé par le professeur Gerhard Wilde, ainsi que l’Institut de physique des matériaux dans l’espace du DLR (professeur Andreas Meyer) participent également aux mesures effectuées à bord de l’ISS et aux préparatifs.
Pour toute question, veuillez contacter :
Prof. Dr Ralf Busch (chaire des matériaux métalliques de l’université de la Sarre)
Tél. : (0681) 302 3208, e-mail : r.busch@mx.uni-saarland.de
Photos de presse à télécharger :
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