Des scientifiques créent un moteur à partir de verre et bouleversent les lois de la physique

Les fondements de la conversion électrique et le plafond de l’efficacité

Qu’ils soient gigantesques ou minuscules, les moteurs électriques n’ont qu’une seule fonction fondamentale : transformer l’électricité en énergie mécanique. Au fil des siècles, l’humanité a développé une telle maîtrise dans la conception de ces machines que la quasi-totalité de l’énergie générée est désormais convertie en puissance motrice de manière fluide, plutôt que de se dissiper inutilement sous forme de chaleur.

Pour accomplir cette prouesse technique, les ingénieurs s’appuient traditionnellement sur des alliages de fer doux magnétiques à gros grains. Toutefois, malgré leur utilisation généralisée et leurs performances impressionnantes, ces matériaux classiques présentent des limites intrinsèques et ne fonctionnent pas de manière totalement irréprochable.

Face à ce constat, une équipe de chercheurs de l’Université de la Sarre a mis en évidence le potentiel de trois alliages spécifiques de verre métallique. Dotés d’une structure atomique amorphe qui leur confère une immense solidité, ces matériaux peuvent se vitrifier facilement, servir de substitut pour les pièces de moteur et être déployés grâce à la fabrication additive, ouvrant potentiellement la voie à une nouvelle ère de moteurs électriques hautement efficaces.

La problématique de la perte fer face à la miniaturisation

La plupart des moteurs actuels sont constitués d’un rotor mobile et d’un stator stationnaire. Ce dernier a pour rôle de générer un champ magnétique alternatif dont la force et la direction varient continuellement au fil du temps. Chaque fois que les propriétés magnétiques de la structure cristalline du matériau doivent inverser leur orientation, ce processus complexe de réaimantation consomme une partie de l’énergie.

Cette dynamique interne provoque une forme de friction à l’échelle microscopique, qui génère inévitablement de la chaleur. Il s’agit d’une énergie résiduelle gaspillée lors d’un phénomène technique connu sous le nom de perte fer. L’impact de cette contrainte thermique s’accentue considérablement avec la vitesse : plus un moteur tourne rapidement, plus la baisse de rendement est prononcée. Le défi devient encore plus ardu avec la miniaturisation des appareils, la baisse d’efficacité étant d’autant plus importante que les moteurs réduisent en taille.

S’il est courant d’accepter cette dissipation énergétique comme une fatalité liée à un processus physique fondamental inhérent aux métaux en alliage de fer, les chercheurs de l’Université de la Sarre ont refusé de s’en contenter. Ils ont alors commencé à explorer des pistes pour remplacer ces composants conventionnels par un type de métal beaucoup plus exotique. « Nous voulons remplacer ces alliages cristallins conventionnels par des alliages amorphes, semblables à du verre, car ils ne perdent pratiquement aucune énergie lors de la réaimantation », a déclaré Ralf Busch de l’Université de la Sarre dans un communiqué de presse. « Les pertes diminuent de façon spectaculaire lorsque les cristallites sont extrêmement petites, c’est-à-dire de structure nanocristalline, ou lorsque la structure cristalline est totalement absente, c’est-à-dire que le matériau est semblable à du verre ou amorphe. »

Le paradoxe matériel du verre métallique

Le terme même de verre métallique peut résonner comme un oxymore, particulièrement lorsqu’on aborde la question de l’intégrité structurelle. Le verre classique constitue déjà une véritable énigme matérielle : il s’agit indéniablement d’un solide, mais ses particules adoptent une configuration désordonnée, qualifiée d’amorphe, s’apparentant au comportement d’un liquide. Cette particularité pousse certains experts à définir le verre comme un « liquide en animation suspendue ».

C’est précisément cette nature amorphe qui captive Ralf Busch et son équipe. Cette caractéristique singulière leur permet de façonner un matériau fondamentalement plus solide que l’acier. En sélectionnant minutieusement des espèces atomiques spécifiques, les scientifiques parviennent essentiellement à figer ces atomes dans leur position pendant la phase de refroidissement. Ce procédé génère une structure désordonnée analogue à celle du verre, donnant ainsi naissance au verre métallique.

Il s’avère que cette configuration amorphe est particulièrement bien adaptée pour minimiser la déperdition d’énergie induite par la réaimantation. « Comme les verres métalliques ne possèdent pas de cristallites, les régions magnétiques — connues sous le nom de domaines de Weiss — ne sont pas obstruées et peuvent se réorienter librement lorsque le champ magnétique change », a précisé Ralf Busch dans un communiqué de presse. « Les propriétés magnétiques des verres métalliques sont par conséquent exceptionnellement bien adaptées pour une utilisation dans les moteurs électriques. »

Trois alliages de pointe propulsés par l’impression 3D

Les composants fabriqués à partir de ces verres métalliques offrent une flexibilité industrielle remarquable. Ils peuvent être utilisés via des techniques de fabrication traditionnelles comme le moulage par injection, ou bien exploités à travers l’impression 3D. Cette seconde option constitue l’axe central d’un projet de recherche baptisé Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics, une initiative d’envergure qui a bénéficié d’un financement de plusieurs millions de la part de l’Union européenne.

Découvrir l’alliage parfait s’est révélé être une tâche ardue. Le matériau recherché devait impérativement répondre à trois critères stricts : se vitrifier facilement, posséder toutes les propriétés mécaniques requises pour fabriquer des pièces de moteur robustes, et pouvoir être déployé de manière fluide via les processus d’impression 3D.

Les efforts de l’équipe ont fini par porter leurs fruits après une longue période d’essais en laboratoire. « La percée s’est produite il y a un peu plus d’un an », a indiqué Ralf Busch. « Les […] chercheurs ont identifié trois alliages qui résistent à la cristallisation et qui possèdent les propriétés nécessaires pour imprimer avec succès des composants de moteur métalliques entièrement semblables à du verre. »

Le défi de l’industrialisation par fusion laser

Une découverte prometteuse réalisée dans l’environnement contrôlé d’un laboratoire peut rapidement s’avérer irréalisable lorsqu’il s’agit de passer à des échelles industrielles. La transition de l’éprouvette à la ligne de production de masse exige des ajustements technologiques majeurs pour garantir la viabilité économique et technique du projet.

Pour relever ce défi, Ralf Busch et son équipe sont littéralement concentrés comme un laser sur l’optimisation d’un processus de fabrication additive précis, connu sous l’acronyme L-PBF (Laser Powder Bed Fusion, ou fusion sur lit de poudre par laser). Ils travaillent sans relâche pour augmenter la fiabilité globale du système et pour affiner chaque étape du traitement du matériau amorphe.

L’enjeu est colossal, car la réussite de cette phase d’industrialisation pourrait avoir un impact sans précédent sur l’ingénierie mécanique mondiale. En réussissant à stabiliser ce processus de production à grande échelle grâce à ces trois nouveaux alliages vitrifiés, les chercheurs ouvriront tout simplement la voie à la naissance d’une toute nouvelle ère de moteurs électriques, marquée par une efficacité énergétique inédite et une perte fer drastiquement réduite.

Selon la source : popularmechanics.com