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Aérogels de silice: les super-isolants de demain?

Les aérogels ressemblent à des morceaux de nuage. Cette famille de matériaux nanostructurés, d'une étonnante légèreté, est enfin sortie des labos pour passer en phase d'exploitation industrielle. Connus depuis les années 1930, ils ont pris leur essor il y a une trentaine d'années: trois décennies éprouvantes et passionnantes pour les chercheurs qui s'y sont consacrés. Mais la persévérance a fini par payer.

Friday
12
May 2017
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Paris Innovation Review – Les aérogels, avant d’être un sujet de recherche, c’est une présence physique déconcertante… Vous souvenez-vous de la première fois que vous en avez fait l’expérience ?

Patrick Achard – Très précisément. C’était en 1986, lors d’un congrès sur l’énergie solaire. Des collègues de Berkeley m’en avaient montré un échantillon, et je me rappelle avoir été immédiatement séduit par le matériau. Imaginez une petite fumée, translucide, presque sans masse, mais en même temps solide. Cela faisait penser à de l’air immobile – bref cela défiait les catégories.

Je venais de finir une thèse d’énergétique, et j’avais identifié le besoin d’un isolant transparent. Certains polymères alvéolaires offraient des propriétés intéressantes, mais rien d’équivalent à ces aérogels, qui répondaient parfaitement au concept dont j’avais ressenti le besoin.

Il s’agissait donc de développer une connaissance sur ces matériaux et leur mode d’élaboration, et c’est là qu’intervient une deuxième rencontre, avec Gérard Pajonk, professeur à l’université Lyon 1, qui travaillait déjà sur le sujet.

Un point intéressant, c’est que l’énergétique n’était pas la spécialité de son laboratoire. Les propriétés isolantes des aérogels se sont peu à peu révélées très intéressantes, au fur et à mesure que le sujet de l’isolation thermique a pris de l’importance. Mais dans les années 1980, ces matériaux étaient surtout associés à la catalyse, du fait de leur structure poreuse à toutes les échelles (micro et méso), qui offre une grande surface de contact. Or c’est précisément cette structure poreuse qui, en confinant l’air, leur permet d’afficher une conductivité thermique inférieure à celle de l’air immobile – une performance exceptionnelle ! C’est pour cela que l’on parle de super-isolants, par opposition aux isolants classiques, comme la laine de verre, dont l’objectif est en quelque sorte de rendre l’air immobile.

Le même matériau ouvrait donc sur des usages très différents. Il pouvait être appréhendé à travers des disciplines différentes.

De mon côté, j’avais acquis des compétences en formation initiale dans le domaine des matériaux, mais ce n’était pas ma spécialité.

En bref, nous avons appris en marchant. Gérard Pajonk m’a ouvert les yeux sur la synthèse et les procédés d’élaboration de ces aérogels, et je l’ai sensibilisé aux usages et aux applications possibles en énergétique et plus particulièrement en thermique.

Cette façon d’avancer sur des terrains connexes, parfois éloignés de sa zone de confort et sur lesquels les ressources propres font défaut, est original. On pourrait parler d’esprit d’aventure…

Oui, celui-ci est nécessaire pour ce genre d’entreprise, et on peut aussi parler d’entreprise de recherche ! Car c’est bien de cela qu’il est question : porter un sujet, le développer, chercher des alliances, des débouchés, se battre contre l’adversité, et surtout, comme dans toute entreprise, s’affronter à l’épineuse question du marché qui est un véritable challenge pour le débouché des travaux.

Pendant près d’une décennie, nous avons privilégié la mise au point d’un vitrage très isolant. Il en reste quelques prototypes, mais ce beau projet est resté dans les cartons, pour une raison très simple : le produit était trop cher et il n’avait aucune chance de trouver un marché.

C’est ainsi que l’on apprend, et cet apprentissage marque les trois décennies que nous avons consacrées aux aérogels. Trouver des usages, développer des procédés, explorer des intuitions, se tromper, faire un pas de côté, redémarrer… Cet apprentissage pratique se joue en parallèle de la dynamique de découverte qui aboutit aujourd’hui à faire des aérogels une très vaste famille.

Steven Kistler, le chercheur par qui tout a commencé au début des années 1930, avait déjà élaboré des aérogels de silice, d’alumine, d’oxyde de chrome, d’oxyde d’étain. Dans les années 1990, on a réussi à développer des « aérogels de carbone » – nous y reviendrons. Et plus récemment ce sont des aérogels de type composites qui ont été élaborés d’abord aux États-Unis pour la NASA. La famille s’agrandit !

Vous évoquez un pas de côté : quels ont été les principaux virages de vos travaux ?

Avec mon collègue Arnaud Rigacci, nous avons d’abord travaillé pendant une dizaine d’années sur le monolithe de silice, la version « noble », en quelque sorte, des aérogels de silice. Nous avons déposé quelques brevets, mais nous sentions bien que le produit ne « prenait pas ». Les groupes verriers, qui avaient manifesté un intérêt, n’ont pas désiré aller très loin. Il faut dire que les technologies employées étaient très éloignées de leur cœur de métier.

La difficulté de trouver des débouchés nous a conduit à reprendre une réflexion, sur deux axes. Tout d’abord le champ de l’isolation est très large – il ne se limite pas aux vitrages. La plus grande partie des applications n’a pas besoin de transparence. Ensuite, nous nous sommes rendu compte qu’en ayant mis le cap sur l’obtention de grands monolithes avec une bonne transparence optique, nous avions mis la barre très haut. Il nous a paru plus pertinent alors de chercher à élaborer des granulats, c’est-à-dire des grains de monolithe en lieu et place du monolithe de silice.

La bascule se fait au milieu des années 1990, et le partenariat que nous avions établi avec la société PCAS prend alors un nouveau virage. Ce chimiste spécialisé dans le développement de molécules à haute valeur ajoutée pour l’industrie pharmaceutique maîtrisait la synthèse des précurseurs nécessaires à l’élaboration des aérogels de silice. Il faisait partie des premiers partenaires et la société a décidé de poursuivre l’expérience alors qu’elle n’était pas un producteur de matériaux.

Il faut dire que la synthèse n’est pas une opération facile, et que sa maîtrise industrielle conditionne toute la chaîne aval. Un aérogel, c’est un gel, c’est-à-dire un réseau 3D qui s’est réticulé au sein d’un solvant (de l’eau, ou un alcool) ; c’est quand on retire le solvant et qu’on le remplace par de l’air qu’on obtient l’aérogel. Cette opération est difficile : il ne suffit pas de sécher le produit, car un changement de phase (comme l’évaporation) modifierait sa structure et altérerait ses qualités. Le secret est donc de contourner le point critique du solvant lors du séchage.

Le laboratoire de Gérard Pajonk, à Lyon, a développé les précurseurs de type alcoxide, le solvant emprisonné dans le gel étant alors du méthanol ou de l’éthanol. Les échantillons à sécher doivent donc être placés dans les conditions supercritiques du méthanol (ou de l’éthanol). Le problème, c’est que ces solvants sont explosifs. D’où l’idée d’utiliser du CO2liquide et de l’extraire en conditions supercritiques, et par la suite d’utiliser directement du CO2 supercritique. Ce procédé est efficace, mais coûteux. Une entreprise, aux États-Unis, s’est montrée capable de l’exploiter industriellement, mais on reste pour l’instant dans un produit de niche.

Avec PCAS, nous avons trouvé une autre solution : élaborer des gels, les réduire en granules millimétriques et les sécher dans des conditions atmosphériques ménagées.

Ces technologies permettent-elles de se rapprocher de coûts de production compatibles avec des développements industriels ?

C’est l’un des enjeux. PCAS, avec qui nous avons déposé plusieurs brevets, a même créé une spin-off, Enersens, pour développer au plan industriel les produits issus de nos travaux conjoints.

La famille des aérogels s’agrandit progressivement, et il en va de même des applications. Par exemple, nous avons développé avec la société Parex Group des mortiers à base d’aérogels de silice granulaires qui peuvent utiliser les granulats produits par Enersens. Le gain d’efficacité énergétique pour des enveloppes de bâtiment revêtues de tels enduits isolants peut être significatif : ces mortiers, utilisés dans la rénovation des bâtiments existants, permettent avec trois centimètres d’épaisseur de diviser par deux la consommation d’énergie de chauffage de bâtiment non isolés en Europe. Mais ils restent onéreux. Une entreprise suisse, Fixit AG, est en train de prendre de l’avance sur ce sujet dans son pays, pour des bâtiments patrimoniaux – notamment du fait du pouvoir d’achat local.

Un autre sujet proche de la phase industrielle, ce sont les « blankets », la troisième grande forme des aérogels avec les monolithes et les granulats. Ces panneaux matelassés sont réalisées en utilisant des systèmes fibreux non aérogels, pour créer une structure maintenant les aérogels en son sein. Ces blankets ont été proposées par l’entreprise américaine Aspen. Elles sont aujourd’hui en cours de développement. En Europe, c’est le projet HomeSkin, auquel nous participons.

Nous avons surtout parlé de l’isolation, mais il existe aussi d’autres applications.

Elles sont de plus en plus nombreuses. Des aérogels organiques ont par exemple été développés, avec des usages dans le domaine de la médecine. Et si on les pyrolyse, on obtient des « aérogels de carbone », dont la structure est intacte, et qui sont d’excellents candidats pour faire des matériaux d’électrodes.

Très récemment on a développé des oxydes semi-conducteurs (dioxyde d’étain, dioxyde de titane), à partir desquels on peut faire des aérogels. Leurs usages ? La production d’hydrogène directement sous faisceau solaire, ou encore les électrodes de piles à combustible.

Il y a encore des aérogels organiques. Nous avons travaillé avec le Cemef, laboratoire de Mines ParisTech à Sophia Antipolis, sur l’élaboration d’aérogels à partir de cellulose. Un nouveau matériau a été obtenu, l’aérocellulose. On peut encore citer les aérogels de pectine. L’aéropectine sur laquelle travaille notre collègue Tatiana Budtova est un bioaérogel issu de la pectine que l’on trouve dans les pommes, ou plus largement dans les déchets alimentaires (zest d’orange, de citron).

Ces aérogels organiques permettent la mise au point d’aérogels hybrides, moins friables que les aérogels de silice et potentiellement plus faciles à utiliser. Ces aérogels hybrides peuvent ainsi être fortement comprimés sans se rompre, grâce à la morphologie du réseau que forment la pectine et la silice, ou encore le polyuréthane et la silice.

La famille des aérogels ne cesse de s’agrandir, et on voit bien à travers ce dernier exemple que les différentes branches de l’arborescence continuent de croître et de se ramifier. Telle branche peut apporter la solution à une question sur laquelle avaient buté les chercheurs travaillant sur une autre branche. C’est tout l’intérêt de ce thème, qui amène à ouvrir des voies, comme on le fait en montagne. Rien n’est acquis, on ouvre et découvre un chemin a priori incertain dans un milieu ouvert et face à un horizon indéterminé.

Tous ces sujets sont à la frontière de la recherche et du développement et, dans le domaine des matériaux, les technologies innovantes comme celles sur lesquelles vous travaillez, si elles ne sont pas prises en charge directement par un grand groupe, demandent un soutien public.

Assurément, et c’est le cas partout. Aspen, par exemple, travaille sur financement de la NASA. Dès les années 1980, nous avions reçu une aide de l’Agence nationale de valorisation de la recherche. Par la suite nous avons reçu le soutien de l’Ademe, à travers un Programme d’action concertée en technologie de l’énergie (le Pacte Aérogels). 20 ans après l’Ademe nous a de nouveau soutenus avec le Pacte SIPA-BAT dédié aux super-isolants à pression atmosphérique dans le bâtiment. La référence à la pression atmosphérique distingue nos technologies de celles des panneaux sous vide, qui constituent l’autre grande voie des super-isolants.

L’Ademe et BPI France, dans le cadre des investissements d’avenir, ont décidé de participer au capital d’Enersens. C’est une reconnaissance, qui pointe aussi le caractère stratégique de ces recherches aux yeux de grands acteurs publics et des politiques publiques de maîtrise de l’énergie et de développement industriel.

Le thème semble avoir définitivement pris son essor. Un obstacle, cependant, pourrait se dresser : les aspects sanitaires. Les aérogels, qui sont des matériaux nanostructurés, ne sont-ils pas menacés par la défiance envers les nanotechnologies ?

En effet une grande sensibilité s’est affirmée envers les nanomatériaux. Si les aérogels ont traversé la crise sans dommage, c’est pour une raison simple : nanostructurés, cela ne veut pas dire que ce sont des nanoparticules. Les aérogels n’ont donc pas été vraiment concernés par la grande polémique sur les nanomatériaux qui a émergé il y a quelques années.

Cela étant, il est vrai que les aérogels de silice – la principale branche aujourd’hui – ont tendance à produire de la poussière lorsqu’ils sont manipulés. C’est pourquoi on travaille sur leur composition, avec des développements comme les aérogels hybrides que j’évoquais tout à l’heure. Il existe aussi des solutions simples, comme de les emprisonner entre deux plaques de verre ou de les associer au sein d’un matériau composite avec un liant comme dans le cas des mortiers.

Il faut par ailleurs distinguer la silice cristalline, qui occasionne la terrible silicose, et la silice amorphe dont sont constitués les aérogels. Les utilisateurs ou les résidents d’habitations isolées avec ces aérogels n’ont donc rien à craindre. Reste que les usines de fabrication de ces matériaux doivent être conçues avec des normes exigeantes, car l’exposition prolongée à des poussières, quelles qu’elles soient, n’est pas bonne pour la santé.

Mais ce sont là des questions industrielles standard au xxie siècle. Il n’y a pas lieu a priori de craindre un scandale sanitaire. Et j’ajoute, en manière de conclusion, un élément sur lequel on n’insiste pas assez. Aujourd’hui, sous la pression de normes comme celles de la RT2012 ou plus largement dans une démarche d’écoconception, on se préoccupe de plus en plus du devenir des matériaux, notamment dans le domaine de la construction. Or les aérogels de silice sont constitués… de silice, soit l’un des deux constituants principaux de l’écorce terrestre. Leur réemploi ou leur recyclage est donc très aisé. Il suffit de les injecter dans des fours industriels de production de ciment ou de verre.

Patrick Achard
Directeur de recherche, Persee (Centre Procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques, Mines ParisTech PSL Research University)