Tous les engins, lorsqu’on les envoie dans l’espace, ne peuvent bénéficier d’aucune maintenance in situ. Par exemple, au moment du lancement d’une fusée, sa structure est malmenée par la violence de la poussée de ses réacteurs : la montée en puissance des moteurs et les violentes secousses du décollage mettent les matériaux à rude épreuve et peuvent provoquer l’apparition de minuscules fissures dans les structures, en particulier dans les matériaux composites utilisés pour alléger les lanceurs.
Ces microfissures passent souvent inaperçues, mais elles peuvent fragiliser des composants vitaux au bon fonctionnement de ces gigantesques engins. Sur un lanceur comme Ariane 6, par exemple, une fissure dans un panneau composite ou dans un réservoir pourrait réduire sa résistance et compromettre entièrement son intégrité. Le Falcon 9, qui vole bien plus régulièrement et subit plusieurs cycles de lancement et de rentrée atmosphérique, ce type de dégradation est surveillé de très près entre deux missions par les ingénieurs de SpaceX.
C’est pourquoi, depuis le début des années 2010, plusieurs laboratoires travaillent sur des composites qui peuvent se réparer seuls. En 2017, des chercheurs de l’Université de Bristol, par exemple, avaient déjà fait la démonstration d’un matériau capable de libérer une résine cicatrisante lorsque sa structure se fissurait. L’Agence spatiale européenne explore aujourd’hui une approche similaire avec son projet Cassandra (Composite Autonomous Sensing And Repair), qui vise à adapter ces matériaux auto-réparants aux contraintes extrêmes des lanceurs.
Cassandra : le futur matériau des vols spatiaux ?
Pour y parvenir, les ingénieurs de l’ESA utilisent un composite en fibre de carbone appelé HealTech, conçu pour libérer un agent cicatrisant lorsqu’il est chauffé et ainsi refermer certaines microfissures. Des capteurs à fibre optique sont intégrés entre les différentes couches de ce matériau, qui surveillent en permanence les déformations de la structure et permettent de repérer l’apparition d’une fissure ainsi que son emplacement.
Une fois la fissure détectée, la zone endommagée est portée à une température comprise entre 100 et 140 °C, grâce à de petits éléments chauffants intégrés dans la structure. Sous l’effet de la chaleur, le matériau HealTech s’assouplit, ce qui permet à l’agent cicatrisant contenu dans les couches du composite de s’écouler dans la fissure et de la combler. Ensuite, il se solidifie, permettant au matériau de retrouver une partie de sa résistance mécanique.
Les chercheurs ont déjà testé plusieurs prototypes, d’abord sur de petits échantillons puis sur des panneaux d’environ 40 centimètres de large (voir photo ci-dessus), avec succès. Les essais ont montré que le système peut effectivement localiser une fissure, chauffer précisément la zone concernée avant que le matériau ne vienne colmater le défaut.
Pour l’instant, le matériau HealTech étudié dans le cadre de ce projet en est encore au stade expérimental. Les chercheurs souhaitent désormais tester son intégration dans des structures bien plus grandes, comme les réservoirs cryogéniques des lanceurs, mais le défi s’annonce forcément plus compliqué que de l’incorporer dans de simples plaques de test.
Sur un réservoir de plusieurs mètres de diamètre, les fissures peuvent se propager sur des distances bien plus importantes : les capteurs doivent donc couvrir une surface beaucoup plus vaste et le système de chauffage doit rester extrêmement localisé pour éviter de modifier les propriétés mécaniques du composite autour de la zone réparée.
Pour le moment, l’ESA n’a donné aucun calendrier qui nous permettrait de suivre ces futurs essais, mais nous savons déjà que Cassandra réunit plusieurs partenaires industriels européens, dont CompPair, CSEM et Com&Sens. Tous réunis sous la bannière du programme FIRST! (Future Innovation Research in Space Transportation), c’est plutôt un signe positif prouvant que l’ESA encourage le développement de nouvelles solutions souveraines pour son industrie aérospatiale.
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