L’équipe de recherche dirigée par le spécialiste des matériaux Ralf Busch de l’université de la Sarre se prépare pour sa première mission scientifique dans l’espace. Si tout se passe comme prévu, à partir du 31 août, les chercheurs passeront une semaine à étudier à distance des alliages de verre métallique lors d’expériences menées à bord de la Station spatiale internationale, l’ISS. En collaboration avec l’Agence spatiale européenne, l’ESA, et le Centre allemand pour l’aéronautique et l’astronautique, le DLR, l’équipe étudiera les propriétés de ces alliages à l’aide de gouttelettes chaudes en lévitation. L’objectif est d’obtenir de nouvelles données de haute précision qui contribueront à améliorer encore le matériau. Une série d’expériences complémentaires sur l’ISS impliquant d’autres alliages est déjà en préparation. Le projet est financé par la Fondation allemande pour la recherche, la DFG.
Ce qui rend la Station spatiale internationale si précieuse pour les chercheurs en matériaux de Sarrebruck, c’est l’apesanteur apparente ressentie à bord. À une altitude d’environ 400 kilomètres, l’attraction gravitationnelle de la Terre n’est en réalité pas beaucoup plus faible qu’à la surface de la Terre, mais comme l’ISS se déplace vers l’avant à très grande vitesse, elle ne retombe pas sur Terre mais reste en orbite continue en chute libre autour de la Terre – et tout ce qui se trouve à bord paraît en apesanteur par conséquent. Cet état de suspension permanent est exactement ce dont l’équipe de recherche de Busch à l’université de la Sarre a besoin : des gouttelettes de leur nouvel alliage qui peuvent rester stables et immobiles pendant les mesures.
Ralf Busch est l’un des pionniers internationaux dans le domaine du verre métallique. Les verres métalliques sont des métaux qui se solidifient comme du verre. Dans de nombreux projets de recherche, dont beaucoup ont été financés par l’UE, le gouvernement fédéral allemand et la DFG, Busch et son équipe ont développé et affiné ces nouveaux alliages, qui peuvent être adaptés pour avoir des propriétés spécifiques. Le mot « verre » ne doit pas être interprété comme signifiant qu’un verre métallique est fragile. Bien au contraire, ces alliages sont plus résistants que l’acier. « Ils sont également élastiques et, à des températures élevées, ils peuvent être formés comme des plastiques, ce qui signifie qu’ils peuvent être traités à l’aide de techniques telles que le moulage par injection ou l’impression 3D de métal », explique Ralf Busch. Cela permet de donner aux verres métalliques des géométries complexes de presque toutes sortes, un autre domaine de recherche actif pour Busch et son équipe. Son groupe de recherche à l’université de la Sarre détient déjà plusieurs brevets pour de nouveaux alliages ultra-résistants aux propriétés inédites.
Les verres métalliques développés à Sarrebruck sont de nouveaux matériaux dont les propriétés peuvent être adaptées à une utilisation dans les moteurs et les machines. On peut citer par exemple de nouveaux composants qui rendent les moteurs électriques plus économes en énergie, ainsi que des vis et des pièces géométriquement complexes suffisamment résistantes pour supporter les conditions extrêmes rencontrées dans les applications aérospatiales.
Comment les métaux se solidifient en verre
Ces alliages métalliques sont qualifiés de verres en raison de leur structure interne. « Les métaux conventionnels ont une structure cristalline, leurs atomes étant disposés selon des réseaux réguliers », explique le professeur Busch. Les verres métalliques sont différents : leur structure atomique interne est désordonnée, tout comme celle du verre. « Les atomes des verres métalliques ne sont pas ordonnés ; ces matériaux sont amorphes, comme le verre », explique Busch. Pour y parvenir, les chercheurs développent des alliages beaucoup moins sujets à la cristallisation et dans lesquels la formation de cristaux est considérablement ralentie. Cela rend difficile pour les atomes de s’organiser selon les motifs ordonnés nécessaires à la formation de cristaux, de sorte que le métal en fusion se solidifie avec ses atomes dans un état désordonné.
Le fait que les métaux puissent être amenés à « se solidifier en verre » et que ces alliages présentent également les bonnes propriétés pour des applications telles que l’impression 3D de métal est le résultat de nombreuses années de recherche. La composition atomique de ces alliages doit être ajustée avec beaucoup de soin. « Il faut des années pour développer un alliage de ce type. Nous les concevons dans un espace de composition multidimensionnel afin d’obtenir des alliages qui cristallisent plus lentement et qui présentent la bonne combinaison de propriétés », explique Busch. Depuis des décennies, ses recherches impliquent une collaboration avec des partenaires tels que la NASA, le Jet Propulsion Laboratory, qui construit et exploite des satellites et des sondes spatiales pour la NASA, et le Centre allemand pour l’aéronautique et l’astronautique.
Des alliages à base de nickel à haute résistance en route vers l’ISS
Les expériences à bord de la station spatiale sont prévues du 31 août au 4 septembre et porteront sur des alliages de nickel-niobium et de nickel-niobium-soufre. L’alliage de nickel-niobium a été développé pour la première fois au Massachusetts Institute of Technology, le MIT, aux États-Unis, en 1967. L’alliage de nickel-niobium-soufre provient du laboratoire de Busch sur le campus de Sarrebruck. En étudiant les alliages dans des conditions de quasi-apesanteur sur l’ISS, son équipe vise à élargir la compréhension scientifique des propriétés physiques du verre métallique. Les expériences réalisées sur l’ISS examineront des gouttelettes en lévitation chauffées à des températures allant jusqu’à 1 700 degrés Celsius, afin d’étudier des propriétés telles que la tension superficielle, la viscosité, la dilatation thermique, le surfusion, le comportement d’oscillation et la capacité thermique.
« L’alliage est très réactif, donc sur l’ISS, nous n’avons pas besoin d’un creuset pour faire fondre les billes », explique Busch. Les billes de verre métallique spécialement produites sur le campus de Sarrebruck par Lucas Ruschel, ancien doctorant dans le groupe de Busch, ont déjà été envoyées vers l’ISS. Elles ont été certifiées sur la base de tests effectués sur Terre, garantissant qu’elles ne présentent aucun risque à bord de l’ISS.
Les expériences seront menées dans le module Columbus de l’ESA, à l’aide du lévitateur électromagnétique, l’EML, installé en 2014 par l’astronaute allemand de l’ESA Alexander Gerst. Lucas Eisenhut, un autre doctorant du groupe de recherche de Ralf Busch, dispose d’une semaine complète de temps de mesure sur l’ISS. Il pilotera les expériences depuis le centre de contrôle du DLR à Cologne, en collaboration avec le Dr Fan Yang, chercheur senior préparant son habilitation dans le groupe de Ralf Busch à Sarrebruck.
« L’ISS transmettra un flux en direct des expériences au centre de contrôle, ce qui nous permet d’observer ce qui se passe en temps réel. Nous pouvons envoyer des commandes directement au lévitateur sur l’ISS, ce qui nous permet d’ajuster les paramètres de processus et d’influencer l’échantillon ainsi que les conditions expérimentales », explique Lucas Eisenhut.
Pourquoi une gouttelette en lévitation sur Terre ne suffit pas
Les préparatifs des tests spatiaux sont en cours depuis des années. Les chercheurs ont fait léviter à plusieurs reprises des gouttelettes chaudes de l’alliage sur Terre : sous vide, ainsi que dans des champs électromagnétiques et électrostatiques au DLR de Cologne. Au DESY, l’installation allemande de rayonnement synchrotron, les gouttelettes ont été examinées à l’aide de rayons X. Lucas Ruschel, qui a obtenu son doctorat dans le groupe de recherche de Busch, a effectué un total de 30 vols paraboliques au-dessus de l’Atlantique, au large des côtes françaises, en une seule journée, afin d’étudier les gouttelettes pendant de brèves phases d’apesanteur, chacune durant environ 22 secondes.
Pour l’équipe de recherche de Sarrebruck, ces courtes phases de test ne sont toutefois pas assez longues et trop de facteurs d’interférence affectent les mesures sur Terre. Les conditions dans l’espace sur l’ISS sont bien meilleures.
« Nous attendons des résultats nettement plus précis que ceux obtenus jusqu’à présent sur Terre. Ici, la force nécessaire pour contrer la gravité et maintenir la gouttelette en position est bien plus grande que sur l’ISS. Dans les conditions de quasi-apesanteur de l’ISS, nous n’avons besoin que de forces beaucoup plus faibles pour maintenir la gouttelette stationnaire – et c’est un énorme avantage », explique Ralf Busch. Sur Terre, des phénomènes tels que les écoulements internes à la gouttelette peuvent interférer avec la mesure. « Un autre avantage majeur est le temps d’expérience beaucoup plus long dans des conditions de quasi-apesanteur. Sur l’ISS, nous pouvons effectuer plusieurs cycles expérimentaux par jour, chacun d’une durée allant jusqu’à 45 minutes, ce qui nous donne plusieurs heures de temps de mesure au total. Cela permet de mener des expériences plus approfondies et d’obtenir des résultats plus significatifs que lors de vols paraboliques de 22 secondes », ajoute le doctorant Lucas Eisenhut.
L’objectif est d’utiliser les nouvelles données de mesure, que l’on espère très précises, pour améliorer encore le matériau et développer de nouveaux matériaux pour le vol spatial, la technologie médicale, les composants haute performance et même les produits de tous les jours. Des billes de verre métallique fabriquées à partir d’autres alliages ont également été développées par l’équipe de Busch et les préparatifs sont en cours pour tester ces matériaux, comme un alliage de palladium-nickel-phosphore, lors d’une future mission vers l’ISS.
La science des matériaux à Sarrebruck entretient des liens étroits avec la recherche spatiale au sens large. L’équipe dirigée par le collègue de Busch, le professeur Frank Mücklich, a également mené des recherches sur l’ISS, étudiant des surfaces qui empêchent les agents pathogènes comme les bactéries et les virus de s’accrocher à la surface et de proliférer. Ces expériences ont été supervisées à bord par 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.
Le projet est soutenu par la Fondation allemande pour la recherche, la DFG, et l’Agence spatiale européenne, l’ESA. L’Institut de physique des matériaux de l’université de Münster, dirigé par le professeur Gerhard Wilde, et l’Institut de physique des matériaux dans l’espace du DLR (professeur Andreas Meyer) participent également aux mesures sur l’ISS et aux travaux préparatoires.
Source : DLR
