mercredi 7 septembre 2011

Quel est le point commun entre l'aéronautique et la prospection pétrolière ?

Ma première rencontre avec la médiation technique remonte à ma thèse de doctorat.
A l'époque, je travaillais dans un laboratoire de l'ONERA, sur un sujet déjà transversal en soi. En effet, mon sujet de thèse portait sur les propriétés acoustiques et mécaniques d'un matériau original.

Comment naît un sujet de thèse

Les thèses orientées vers l'industrie sont souvent transversales, c'est-à-dire à la frontière entre deux domaines techniques et/ou scientifiques. La motivation industrielle de ma thèse portait sur la réduction du bruit des aéronefs.
Pour simplifier, les aéronefs modernes (avions et hélicoptères) utilisent généralement une turbomachine pour se propulser. Ces turbomachines, comme toute machine mécanique en mouvement, produit du bruit, dont les origines sont diverses : bruit de rotation des parties mobiles (aubes), bruit de combustion, bruit de jet des gaz d'échappement... A cela s'ajoutent des sources de bruit indépendant de la turbomachine, dus au simple déplacement de l'aéronef dans l'air (turbulence).
On le voit, le problème est complexe, et les sources de bruit sont multiples. Il faut donc aborder le problème sous différents angles. Un angle original et, à l'époque, relativement inexploré consiste à utiliser des absorbants acoustiques dans les turbomachines, et en particulier dans certaines parties non encore traitées comme la tuyère. Située en sortie de chambre de combustion, il s'agit d'une zone chaude où les gaz portent la paroi à très haute température (plus de mille degrés, pour fixer les idées). Autant dire, une zone impossible à traiter avec des absorbants acoustiques ordinaires à base de mousses polymères.
Donc, pour absorber le bruit dans une tuyère, il faut un matériau qui tienne à haute température. Un métal ou une céramique, nécessairement. Pas des matériaux réputés pour leur absorption acoustique.
Mais si l'on creuse un peu la théorie de l'absorption acoustique, on s'aperçoit que les matériaux absorbants classiques doivent essentiellement leur propriétés absorbantes à leur structure poreuse. Le fait que ce soient des polymères importe peu. Peut-on faire une mousse en céramique ou en métal ?
Oui ! Aussi étonnant que ce soit, il existe depuis quelques années des producteurs de mousses métalliques. Une thèse financée par Renault visait à en étudier l'intérêt pour l'absorption des chocs lors d'accidents pour la sécurité des automobiles. Mon laboratoire, spécialisé dans les matériaux métalliques pour l'aéronautique, s'est donc dit que l'on pouvait peut-être utiliser des mousses métalliques pour absorber le bruit produit au sein des turbomachines.
Un bel exemple de résultat obtenu lors d'une réunion créative. Il ne restait plus qu'à le concrétiser, et si possible pour pas trop cher. On l'a donc confié à un thésard, à savoir votre serviteur.

Transversalité à tous les niveaux

Le sujet de ma thèse était déjà globalement transversal, puisque le matériau idéal devait être à la fois bon absorbant acoustique et bon matériau structural, tout en tenant à haute température et dans une atmosphère corrosive. Acoustique, mécanique, science des matériaux : trois domaines assez distincts de la physique.
Mais c'est dans l'acoustique que j'ai découvert une autre transversalité. Assez curieusement, les acousticiens, en grande majorité, ne s'intéressent pas à l'origine de l'absorption acoustique des matériaux. Ils ne les conçoivent qu'au travers d'une propriété résumant leur influence sur la propagation du son, l'impédance acoustique.
Mais il n'y a que peu d'acousticiens qui travaillent sur la physique qui explique comment un matériau donné, avec ses caractéristiques chimiques, morphologiques, mécaniques ou encore thermiques, acquiert son impédance acoustique. Et, de fait, les scientifiques qui ont le plus apporté à cette compréhension ne sont pas tous des acousticiens, loin de là. C'est l'apport transversal d'un autre domaine technique, la prospection pétrolière, qui a alimenté les connaissances en acoustique des matériaux.

Impédance acoustique et impédance électrique
Notez au passage le vocabulaire emprunté à l'électronique (à moins que ce ne soit l'inverse ?) : l'impédance acoustique d'un matériau, comme l'impédance électrique des composants électroniques, est une relation entre deux grandeurs physiques (pression et vitesse pour l'acoustique, tension et intensité pour l'électronique) qui se propagent sous forme d'ondes. 
C'est le caractère ondulatoire commun qui fait que l'on peut transposer des concepts d'une discipline à l'autre. Une autre transversalité...

Pourquoi la prospection pétrolière ? Tout simplement, parce que les principales techniques pour sonder le sous-sol terrestre à partir de la surface consistent à produire une onde sismique en surface et d'analyser l'écho de cette onde en différents points de la surface. C'est une sorte d'échographie de la profondeur terrestre, et on appelle l'ensemble de ces techniques la sismique.
Or si une approche empirique de la sismique est éventuellement suffisante pour savoir s'il y a du pétrole ou non dans le sous-sol, elle est certainement insuffisante dès lors qu'il faut localiser le réservoir précisément ou estimer sa capacité. Forer coûte cher, et il vaut mieux bien viser et choisir les réservoirs les plus grands.
Donc, il faut mettre un peu de théorie et de calculs là-dedans. Comme un réservoir de pétrole est généralement constitué d'une roche poreuse, on ne s'étonnera donc pas que les spécialistes de sismique se soient intéressés à la propagation d'ondes acoustiques dans les matériaux poreux. Ainsi, l'un des modèles théoriques les plus utiles en acoustique des matériaux poreux est le modèle de Johnson, Koplik et Dashen, tous trois employés d'un centre de R&D de Schlumberger. Un autre grand scientifique, Maurice Biot, a proposé un modèle qui porte son nom pour décrire la propagation des ondes acoustiques dans un milieu poreux, à une époque où il collaborait avec Shell ou Mobil.

Une médiation technique de l'entreprise au laboratoire

Cependant, la propagation des ondes acoustique dans le sol se fait généralement au travers de roches saturées en liquide (eau ou pétrole) qui constituent l'essentiel du domaine de propagation, alors que les matériaux absorbants des acousticiens sont plutôt remplis d'air et se situent à la périphérie du domaine de propagation du son. De plus, l'objectif des industriels est de déterminer la vitesse de propagation dans la roche poreuse plus que l'atténuation du son lors de son passage. Il y a donc un travail d'adaptation entre les deux domaines.
Les acousticiens qui se sont intéressés à l'absorption des matériaux se sont naturellement servis des travaux des experts en sismique pour adapter les modèles de ces derniers à leurs problématiques propres.
On peut par exemple citer Jean-François Allard, à l'université du Maine. Ils ont ainsi réalisé une médiation technique d'un cadre industriel à un cadre académique, chose assez rare pour être soulignée.