Koter Info - La Gazette de LLN-WSL-UCL

Photo : dans son projet Solar Serpent, l'architecte suédois Måns Tham propose de couvrir les autoroutes d'un toit de panneaux photovoltaïques afin de produire de l'électricité, qui alimenterait l'éclairage, la signalisation, etc. – et même les véhicules !

Les routes de 5e génération

Par Nicolas Hautière,

Chantal De La Roche et

Jean-Michel Piau (*)

Économes en matériaux et en main-d’œuvre, non polluantes, productrices d’électricité, automatisées, sûres, etc. : les routes de demain devront répondre à des exigences nouvelles et nombreuses. Voici comment.

L’essentiel

— Les routes de demain sont confrontées à trois grands enjeux : le développement durable, la transition énergétique et la mobilité.

— Les revêtements et les chaussées seront conçus de façon à économiser matériaux, énergie et main-d’œuvre.

— À l’aide de panneaux photovoltaïques, les routes produiront elles-mêmes l’énergie nécessaire à l’éclairage, la signalisation ou la recharge des véhicules.

— Des systèmes de gestion et d’information automatisés joueront un rôle essentiel.

Après le chemin muletier, la voie romaine, le macadam puis l’autoroute, voici venu le temps des routes de cinquième génération. Dans un avenir plus ou moins proche, celles-ci intégreront diverses évolutions techniques et multiplieront les interactions entre véhicules et infrastructures afin de mieux répondre aux enjeux du développement durable, de la transition énergétique et de la mobilité.

Les routes d’aujourd’hui résultent d’une évolution plus que bimillénaire. Conçues initialement pour les cavaliers, elles se sont revêtues de pavés pour permettre aux services de poste et à l’armée de parcourir plus rapidement l’ensemble de l’Empire romain. Au début du XXe siècle, avec l’essor du trafic automobile, mais aussi avec le développement de la bicyclette, les chaussées, constituées de gros cailloux tassés au rouleau compresseur, ont été revêtues de goudron, de pavés bitumineux ou d’asphalte, comme c’était déjà le cas pour les trottoirs dès le début du XIXe siècle. Mais l’automobile continuait à utiliser les chemins et axes de transports des chevaux et hippomobiles, selon des tracés qui n’avaient pas été créés pour elle. C’est l’autoroute qui allait, au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, répondre aux besoins des voitures et des poids lourds, tant du point de vue de la vitesse que de la sécurité.

Trois enjeux majeurs

Ainsi, les routes sont vouées à se rénover en permanence, à assurer de nouvelles fonctions. Elles sont confrontées aujourd’hui à trois enjeux majeurs. Le premier est celui du développement durable, idée que l’on résume en « un développement qui répond au besoin du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ». Le deuxième enjeu est celui de la transition énergétique, le passage du modèle énergétique actuel, fondé à 80 % sur les énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon), à un nouveau modèle où domineront les énergies non carbonées (nucléaire et renouvelables). Enfin, le troisième enjeu est celui de la mobilité, qui conditionne le développement économique et social dans un monde de plus en plus connecté.

Ces enjeux nécessitent de repenser le transport routier, qui assure dans les pays développés plus de 80 % des flux de passagers et de marchandises, tout en consommant 60 % de l’énergie fossile produite sur Terre et en étant responsable de 25 % des émissions de gaz à effet de serre.

Cela appelle sans doute de nouvelles sources d’énergie pour les véhicules, mais aussi un nouvel art de construction des routes, afin de diminuer les nuisances, améliorer les conditions de mobilité et le cadre de vie dans les villes et les campagnes.

Il faut le souligner, les choix en la matière sont en grande partie politiques. Mais ils dépendent aussi des technologies disponibles. Aussi, de leur côté, ingénieurs et chercheurs développent et testent des techniques susceptibles de bénéficier aux routes du futur, au sein de scénarios généraux guidés par les trois grands enjeux mentionnés. Passons en revue un certain nombre de ces innovations, qui donneront une idée plus concrète de ce que seront les routes d’ici 10, 20 ou 30 ans.

Un premier aspect porte sur les procédés de construction de chaussées. De façon générale, il s’agit d’économiser les ressources naturelles, en construisant des routes à partir de matériaux plus endurants au trafic et au climat, et cela avec des techniques compatibles avec le développement durable.

Pour économiser les ressources naturelles, une stratégie consiste à recycler les matériaux en place ou à employer, seuls ou en supplément de matériaux neufs, des matériaux granulaires de diverses sources locales (mâchefers, pneus usagés, matériaux de déconstruction, coproduits industriels, etc.).

L’utilisation de ressources locales permet en outre de limiter les transports de matériaux liés aux chantiers routiers eux-mêmes, et ainsi de diminuer le coût énergétique des chantiers, dû en grande partie au transport des matériaux.

Pour les liants, une première idée consistait à remplacer les liants bitumineux, issus de la distillation des pétroles bruts, par des liants issus de matières végétales (celles utilisées pour fabriquer des biocarburants par exemple). Elle s’est vite heurtée à la réalité de la disponibilité des ressources et de la compétition avec la production alimentaire. S’il n’est donc pas concevable de remplacer la totalité du bitume par ce type de liants, d’autres pistes sont à l’étude, par exemple l’emploi de ces liants végétaux en petite quantité pour régénérer le bitume ancien lors des opérations de recyclage, ou bien la mise au point de liants alternatifs issus de biomasses non alimentaires. On peut notamment citer les liants à base de microalgues, qui font l’objet du projet Algoroute porté par plusieurs organismes français, dont l’Ifsttar (Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux).

Par ailleurs, on cherche à augmenter les taux actuels de recyclage des matériaux pour chaussées, qui atteignent généralement 10 à 30 %...

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Par Nicolas Hautière, Chantal De La Roche et Jean-Michel Piau (*) — pourlascience.fr – le 21 mars 2015

(*)

Nicolas HAUTIÈRE est directeur de projet au département Composants et systèmes de l’Ifsttar, à Marne-la-Vallée.

Chantal de la Roche est responsable de projet Route de 5e génération à l’Ifsttar, à Nantes.

Jean-Michel Piau est chercheur au laboratoire lames de l’Ifsttar, au centre de Nantes.

Photo : les LED, qui ont elles-mêmes succédé aux ampoules à incandescence et aux lampes fluocompactes, seront-elles bientôt remplacées par des cellules électrochimiques électroluminescentes (LEC) ? © Akimbomidget, CC, by-sa 2.5

 LEC : les LED ont-elles déjà leurs successeurs ?

Par Nathalie Mayer

Lampes fluocompactes, LED, Oled : dans le secteur de l’éclairage, l’innovation va galopante. Une équipe internationale de chercheurs propose aujourd’hui de s’intéresser à la prochaine génération des technologies d’éclairage : celle des cellules électrochimiques électroluminescentes (LEC).

D’une efficacité redoutable (jusqu’à 300 lumens par watt en laboratoire contre un maximum de 70 lm/W pour les lampes fluocompactes et pas plus de 20 lm/W pour les lampes à incandescence de nos grands-parents) et d’une durée de vie exceptionnelle (jusqu’à 100.000 heures alors que les lampes fluocompactes durent au maximum 15.000 heures et les lampes à incandescence pas plus de 1.000 heures), les LED apparaissent aujourd’hui comme des sources d’éclairage idéales. Selon l’Ademe, elles devraient s’imposer dans nos foyers dans moins de 5 ans.

Pourtant, les LED présentent également quelques défauts. Leur processus de fabrication, par exemple, est relativement énergivore. Car les LED sont des systèmes multicouches complexes dont les méthodes de production nécessitent un vide poussé et de hautes températures. Elles doivent également être protégées de toute exposition à l’air et à l’eau.

De ce point de vue, les cellules électrochimiques électroluminescentes (LEC) sont des dispositifs beaucoup plus simples. Elles ne comportent qu’une seule couche de matériau actif qui peut être travaillé en solution dans des conditions ambiantes et leurs électrodes peuvent être réalisées à base de matériaux simples comme l’aluminium.

Si, malgré cela, les LEC n’ont pas jusqu’alors attiré l’attention sur elles, c’est que leur durée de vie reste relativement courte. Un défaut que des chercheurs des universités de Bâle et de Valence pourraient bien être sur le point de surmonter. Dans un article publié récemment dans le journal Chemical Science, ils annoncent avoir conçu des LEC à base de composés moléculaires stabilisés par des anneaux aromatiques dont la durée de vie sous forme de film mince est supérieure à 2.500 heures. « Ce n’est qu’un premier pas. Nous pouvons faire beaucoup mieux », assure Edwin Constable, professeur à l’université de Bâle.

Des anneaux aromatiques inspirés des fleurs

Les métaux de transition, qui peuvent former des ions d’une grande variété, sont des matériaux de choix pour la constitution de la couche active de LEC. Après application d’une polarisation, les charges présentes dans la couche active se déplacent vers les électrodes. Elles s’accumulent aux interfaces et provoquent ainsi une importante baisse de potentiel et la formation de zones fortement dopées. L’émission de lumière a lieu dans la zone intrinsèque située entre les zones dopées.

Le ruthénium, un métal de transition de deuxième série est le premier des métaux de transition à avoir été utilisé pour la fabrication de LEC. Celles-ci n’étaient susceptibles d’émettre que dans le rouge ou l’orange. Elles étaient surtout très instables dans des conditions normales d’utilisation. Opter pour un métal de transition de troisième série comme l’iridium a permis aux chercheurs des universités de Bâle et de Valence d’améliorer la stabilité du système et de choisir la couleur d’émission lumineuse grâce à la formation de structures originales. Et l’équipe envisage déjà de remplacer l’iridium par des métaux d’usage courant et beaucoup plus abondants comme le cuivre.

Pour assurer une durée de vie élargie à leurs LEC, les chercheurs des universités de Bâle et de Valence ont donc mis au point des complexes métalliques enrichis d’anneaux aromatiques. Ceux-ci s’organisent entre eux pour former une coque protectrice, un peu comme une fleur dont les pétales se referment sur son cœur pendant la nuit. Une structure qui rend le complexe particulièrement stable et qui permet également de choisir la couleur de la lumière émise selon les composants moléculaires sélectionnés. De quoi faire un pas de plus vers la conception de systèmes émetteurs de lumière blanche. 

Par Nathalie Mayer - Futura-Sciences – le 14 mars 2015