le bois, un matériau de construction du futur

Ce mardi 5 novembre, le tout premier satellite en bois a été lancé dans l’espace. Il a été développé par des scientifiques de l’Université de Kyoto. Preuve que le bois peut être considéré comme un matériau de construction du futur.

Depuis l’invention de la roue, estimée à 4 000 avant JC. Avant J.-C., le bois était utilisé par l’humanité pour les déplacements terrestres. Hormis dans le nautisme, on sait peu que son usage était encore fréquent à la fin du XXe siècle.^e siècle. Parmi les nombreux exemples documentés dans nos articles, l’un des meilleurs avions de la Seconde Guerre mondiale fut le Mosquito, produit par De Havilland à 7 781 exemplaires, capable de voler à 680 km/h et dont la structure était en bouleau, douglas. et du balsa.

Jusqu’à aujourd’hui, la société Robin Aircraft, implantée à Dijon, a produit le DR 400 en construction bois et toile à 2 700 exemplaires. Côté automobile, l’entreprise anglaise Morgan utilise encore des cendres pour une partie de ses châssis. Mais l’un des plus beaux exemples était la Costin Nathan Le Mans 1967 dont la structure était en contreplaqué et ne pesait que 400 kg, soit la moitié de la taille de la Ferrari P4 de la même année.

Ces exemples montrent à la fois la légèreté et la résistance du bois mais aussi un savoir-faire en partie perdu. En fait, seule la marque anglaise Morgan utilise encore aujourd’hui du bois pour ses voitures de petites séries.

La question de son utilisation est étroitement liée à la ressource disponible. Si dans l’hémisphère sud, le couvert forestier disparaît principalement en raison de son utilisation comme bois de chauffage, dans l’hémisphère nord, il continue d’augmenter. Pour l’Union européenne, l’augmentation du stock de bois sur pied a été de 30 % sur la période 2000-2020 et le couvert forestier représente 39 % de la superficie des États membres. En France, la couverture forestière a doublé en 100 ans. Malheureusement, ce sont principalement les résineux qui sont exploités alors que l’utilisation structurelle pour les véhicules nécessiterait des feuillus comme le peuplier ou le bouleau qui sont des essences locales et abondantes.

Le bois, un matériau résistant mais complexe

Nos recherches se sont d’abord concentrées sur la caractérisation mécanique du contreplaqué seul ou pris en sandwich avec d’autres matériaux comme l’aluminium ; des fibres de carbone, des fibres de verre et également des fibres de lin. Bien que les résistances trouvées soient satisfaisantes, le contreplaqué s’avère être un matériau très complexe de par la manière dont il est obtenu. On retrouvera différentes caractéristiques selon la position du bois dans l’arbre (bois juvénile ou adulte, de printemps ou d’été). À cette complexité s’ajoute également une forte sensibilité du bois à son environnement en termes d’humidité et de chaleur.

Toutes ces complexités influencent les caractéristiques mécaniques des plis qui constituent le contreplaqué et pour y remédier nous avons développé des méthodes d’identification grâce aux thèses de John Susainathan et Axel Peignon, aux travaux postdoctoraux de Hajer Hadiji et à l’ANR BOOST.

Applications concrètes dans l’automobile

Les véhicules d’aujourd’hui doivent être capables d’absorber les chocs lors d’accidents. Il s’agit le plus souvent de tubes en acier ou en aluminium qui servent d’absorbeurs d’énergie. Il était donc important de connaître la réaction du bois aux chocs. Lors de la thèse de Romain Guélou, nous avons testé des tubes réalisés avec plusieurs essences (peuplier, bouleau et chêne) avec ou sans peaux intérieures ou extérieures, en tissus de fibres de verre ou de carbone. Le comportement du bois en cas de choc est très bon. Un tube doté de peaux de carbone et d’un noyau en contreplaqué de bouleau était capable d’absorber l’énergie d’une masse de 170 kg larguée d’une hauteur de 4,2 m. Nous avons également pu montrer l’apport important du bois puisqu’en passant de 2 à 6 couches de bouleau, l’énergie absorbée est multipliée par 2.

Récemment un groupe d’étudiants du département de génie mécanique de l’INSA Toulouse a montré que sur un véhicule léger, vaguement inspiré de l’Africar (voiture au châssis en bois extrêmement robuste conçue dans les années 1980 pour l’Afrique), les contraintes sont faibles et parfaitement supportables par contreplaqué de bouleau ou de peuplier.

Des études menées à l’INSA Toulouse et à l’Institut Clément Ader depuis 12 ans montrent les possibilités de ce matériau historique que la nature a rendu très avancé pour la mobilité durable. Ces études s’inscrivent dans un mouvement de redécouverte et de réutilisation. En France, la société Aura Aéro, basée à Toulouse, a développé l’Integral R, un avion de voltige bois-carbone en cours de certification. A Belfort, Mauboussin Aircraft, avec qui nous collaborons, développe un avion à structure en bois, inspiré du Mosquito.

A travers plusieurs programmes de recherche, le professeur Ulrich Müller et son équipe autrichienne ont démontré que le remplacement et le calcul de pièces de véhicules par du bois étaient économiquement avantageux et permettaient d’alléger les structures.

Le bois dans l’espace

Mais le plus surprenant est l’utilisation du bois dans l’espace. Deux études sont actuellement en cours, au Japon et en Europe (Finlande), pour utiliser le bois comme matériau de structure de petits satellites.

L’étude japonaise LignoSat Space Wood vient de lancer un satellite en bois de magnolia sur une orbite terrestre basse. En plus d’être respectueux de l’environnement lors de sa fabrication et de brûler complètement dans l’atmosphère terrestre une fois désorbité, un satellite en bois sera largement transparent aux ondes radio. Les antennes de communication et de recherche pourraient ainsi être internes car le bois est transparent aux ondes radio, évitant ainsi des opérations de déploiement hasardeuses. Des tests effectués sur des échantillons de bois de la Station spatiale internationale (ISS) par des chercheurs de l’Université de Kyoto ont confirmé une détérioration minime et une bonne stabilité du bois dans l’espace. Le satellite européen est fabriqué à partir de contreplaqué de bouleau finlandais, mais dopé pour lui permettre de résister aux conditions spatiales.

Il existe donc un intérêt croissant pour le bois dans les domaines de transport les plus divers. Même si de nombreuses recherches ont été menées sur le bois destiné au génie civil, celui-ci reste un domaine quasiment vierge pour le contreplaqué dans le secteur des transports malgré un énorme potentiel en termes de développement durable. Les applications aéronautiques et spatiales ont déjà vu le jour mais pour les transports, hormis quelques créations d’amateurs éclairés, il n’existe actuellement aucune application industrielle.