La F1 peut-elle se passer de la fibre de carbone ?

La Formule 1 a des objectifs ambitieux pour améliorer son empreinte carbone, mais cela pourrait-il inclure le bannissement de son matériau composite favori ? Pat Symonds examine les alternatives à la fibre de carbone et l'utilité éventuelle de ces matériaux dans le cadre de la F1.

La F1 peut-elle se passer de la fibre de carbone ?
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Lorsque la Formule 1 a annoncé, fin 2019, son ambition courageuse de devenir neutre en carbone d'ici 2030, l'accent a été mis en grande partie sur les carburants. Bien qu'ils ne représentent qu'environ 0,7% des 250 000 tonnes de CO2 de l'empreinte carbone du championnat, l'effet multiplicateur de cette technologie est énorme.

Une proportion bien plus importante de l'empreinte totale réside dans le transport des personnes et des équipements à travers le monde, et ce point figure également en bonne place à l'ordre du jour − la F1 s'engageant avec l'industrie aéronautique et le monde universitaire sur les carburants durables d'aviation (SAF). De nombreuses personnes soulignent toutefois que les voitures elles-mêmes sont construites à l'aide d'une grande quantité de fibre de carbone et se demandent quel est l'impact de cette situation sur les ambitions de neutralité carbone de la Formule 1 et si des alternatives sont envisagées.

Il est peut-être utile de rappeler ce que l'on entend par "fibre de carbone", ou plus précisément, par composites de fibre de carbone. Ces matériaux sont constitués de fibres de carbone qui sont généralement tissées en une toile, puis imprégnées d'une résine. À l'état non polymérisé, la résine lie les fibres entre elles avec suffisamment de liberté pour permettre au tissu d'être drapé dans un moule. Les structures sont normalement composées de plusieurs couches de tissu et ces couches peuvent être séparées par un stabilisateur en nid d'abeille pour créer une rigidité géométrique. Une fois polymérisée à température, la résine durcit et la structure devient un composant rigide.

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Il existe de nombreux types de fibres de carbone et elles peuvent être tissées de différentes manières, mais toutes les fibres utilisées en F1 sont d'un type connu sous le nom de fibres PAN. Elles sont appelées ainsi car le précurseur à partir duquel elles sont fabriquées est un polymère appelé polyacrylonitrile. Il s'agit d'un matériau organique qui est filé en fibres, lesquelles sont ensuite stabilisées chimiquement.

À ce stade, les fibres sont blanches, mais le processus suivant est la carbonisation, qui a lieu à très haute température et transforme les fibres en cristaux de carbone étroitement liés. Les fibres sont ensuite graphitisées à environ 3 000 degrés centigrades. Elles sont ensuite regroupées et finalement filées pour obtenir le type de fil spécifique requis.

Le carbone existe sous de nombreuses formes différentes, que les chimistes appellent des allotropes. Ils vont du graphite très mou au diamant extrêmement dur, qui sont tous deux des formes de carbone. Le carbone de la fibre de carbone peut être modifié pour être soit très solide, soit très rigide ou, dans une certaine mesure, les deux. C'est ce qui en a fait un matériau si attrayant dans les applications où des propriétés extrêmes sont nécessaires pour un poids très léger.

La fibre de carbone a d'abord été développée pour l'aérospatiale par le Royal Aircraft Establishment de Farnborough, en Angleterre, dans les années 1960, mais c'est le sport automobile qui a démontré comment elle pouvait être utilisée dans une variété d'applications industrialisées.

La fibre de carbone est utilisée depuis des décennies en F1

La fibre de carbone est utilisée depuis des décennies en F1

Bien sûr, dans les années 1960 et même pendant les décennies suivantes, peu de gens ont réfléchi à l'empreinte carbone des matériaux qu'ils utilisaient, mais depuis que ce sujet est devenu d'actualité, des recherches ont été entreprises pour trouver des substituts aux fibres et aux résines, qui sont également à base d'hydrocarbures.

Le principe de base consistant à obtenir de la résistance et de la rigidité en combinant des fibres et des résines n'est pas nouveau. La fibre de verre utilisée dans la carrosserie de certaines voitures depuis de nombreuses années exploite exactement le même principe, tout comme la construction de maisons par un procédé appelé "torchis".

Ce procédé est utilisé depuis le XIIe siècle en Europe et consiste en une armature − le clayonnage − fait de bois et d'une substance collante semblable à de l'argile utilisée exactement de la même manière qu'une résine durcie à température ambiante dans les matériaux modernes. L'idée d'un biocomposite n'est donc pas vraiment nouvelle, mais lorsque l'attention s'est portée sur l'utilisation de biomatériaux comme composites structurels, cela a mis en évidence les propriétés étonnantes des composites en fibre de carbone.

Un biocomposite moderne est fabriqué à partir de fibres naturelles, souvent du lin, bien que le chanvre et le jute soient également utilisés. Étant donné qu'ils sont biosourcés, ils sont considérés comme durables, bien que, tout comme les biocarburants de première génération, s'ils utilisent des terres arables pour leur production, ils peuvent entrer en concurrence directe avec la croissance des aliments.

En général, la production de fibres naturelles est moins gourmande en énergie que celle de fibres synthétiques et leur facilité de biodégradabilité ainsi que leur valeur calorifique élevée en cas d'incinération donnent de bons résultats en fin de vie. Les résines peuvent également être biosourcées et une résine biosourcée dérivée de déchets alimentaires a une température de transition élevée qui la rend appropriée pour un certain nombre de composants. 

Il est peu probable que les biocomposites soient utilisés pour des composants nécessitant une résistance ou une rigidité élevées – comme une monocoque ou un triangle de suspension – mais il existe d'innombrables applications où les propriétés réduites ne compromettent pas le design.

Alors, quelle est la réduction des gaz à effet de serre d'un composite naturel par rapport à un composite de carbone ?

Malheureusement, il est plus difficile de répondre à cette question qu'il n'y paraît. Les propriétés mécaniques des fibres naturelles ne sont pas aussi bonnes que celles du carbone, et bien que les producteurs aient quelques moyens intéressants d'atténuer cet inconvénient, un composant structurel fabriqué à partir d'un composite à base de lin sera plus lourd qu'un composant fabriqué en carbone.

Les fibres naturelles sont de plus en plus présentes en GT

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Bien qu'il soit affirmé que le composite à base de lin, à poids égal, peut permettre une réduction de 75% de l'empreinte carbone, cela ne tient pas compte de la différence de poids d'un composant fini de résistance ou de rigidité comparable. De même, dans une évaluation complète du cycle de vie, ce chiffre ne tient pas compte de certains des autres processus et composants utilisés dans la production.

Si cela peut sembler négatif, ce n'est pas le cas. Il est peu probable que les biocomposites soient utilisés pour des composants nécessitant une résistance ou une rigidité élevées − comme une monocoque ou un triangle de suspension − mais il existe d'innombrables applications où les propriétés réduites ne compromettent pas le design.

Je pense que nous verrons beaucoup plus de biocomposites à l'avenir et, tout comme les propriétés de la fibre de carbone se sont améliorées au fil des années grâce à un développement continu, les produits naturels peuvent également être améliorés. Cela se fera par l'amélioration des processus, voire par le génie génétique des plantes dont ils sont issus.

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