Aujourd’hui, dans les moteurs électriques, le cuivre est un élément essentiel. Il constitue le bobinagebobinage des stators et l’essentiel du faisceau électrique du véhicule est fait de cuivrecuivre. Cette utilisation massive du cuivre a un coût et contribue également au poids du véhicule électrique. Même si la motorisation reste légère par rapport à son équivalent thermique en automobileautomobile, dans le cas de l’aviation et notamment pour le développement des eVTOL, chaque kilo gagné compte énormément.

Pour alléger ces moteurs, des scientifiques de l’Institut coréen des sciences et technologies (Kist) ont remplacé le traditionnel cuivre des moteurs électriques par du fil constitué de nanotubes de carbone (CNT) léger et hautement conducteur. Les fils qui portent l’acronyme de CSCEC (Core-Sheath Composite Electric Cables) sont à la fois flexibles et ultralégers. Ils ne mesurent que 0,3 millimètre d’épaisseur en incluant leur gaine. Cette dernière et l’âme conductrice sont au final aussi épaisses qu’une carte de visite. Le gain de poids est de fait considérable par rapport au lourd bobinage en cuivre. 

Pour créer ces nanotubes ultraperformants, les chercheurs ont exploité des cristaux liquidesliquides lyotropes. Ce type de matériaumatériau s’écoule comme un liquide tout en conservant une trajectoire linéaire. C’est grâce à lui, qu’ils ont pu aligner et séparer les nanotubes de carbonenanotubes de carbone qui ont tendance à s’agglomérer autrement. Ensuite, les chercheurs ont rincé chimiquement la structure pour éliminer l’ensemble des impuretés. Ces manipulations portent le nom de Last (texturation de surface assistée par cristaux liquides lyotropes). Ce sont elles qui ont eu pour effet d’augmenter considérablement la conductivitéconductivité tout en maintenant les performances de façon stable dans le temps. Sans ce traitement, la conductivité serait réduite de 130 %.

Pour le moment, les tests ont été réalisés sur un véhicule électrique miniature. Cela fonctionne, mais hormis le gain de poids, la conductivité reste largement inférieure à celle du cuivre. © Kist

Presque parfait

Pour le moment, pas question de propulser une Tesla avec le prototype de moteur CNT de l’institut. Il est parvenu à déplacer une petite maquette de voiture. Mais l’idée d’un moteur allégé et dénué de cuivre reste intéressante. Non pas pour gagner quelques kilomètres d’autonomie sur une voiture électrique de toute façon lourde, mais surtout pour augmenter les performances du véhicule. Avec une massemasse en rotation plus légère, la montée en régime serait plus rapide, le couple plus efficace et la déperdition d’énergieénergie moindre. Le système de refroidissement pourrait également être plus compact et plus léger, puisque la charge thermique serait de facto moins importante. Au final, par effet de cascade, l’ensemble permettrait effectivement d’augmenter l’autonomie, ainsi que la duréedurée de vie de la batterie. Et sur un eVTOL, les conséquences seraient remarquables avec cet allégement et surtout une puissante montée en régime instantanée.

Mais il y a un hic, ou plutôt plusieurs. D’abord, si la conductivité des nanotubes est exceptionnelle, elle reste largement inférieure à celle du cuivre. Ainsi, le moteur utilisant des câbles CNT a atteint un régime maximal de 3 420 tr/min, tandis que son équivalent en cuivre culmine à 18 120 tr/min. De plus, la fabrication du CNT a un coût environnemental élevé, utilisant des procédés énergivores et générant des sous-produits toxiques. Et il reste la question cruciale du coût : le prix de fabrication de ce câble est estimé entre 375 et 500 dollars par kilo, contre 10 à 11 dollars par kilo pour le cuivre. Les bobines de cuivre, aussi rudimentaires ou perfectionnées soient-elles, ne sont donc pas près de quitter les voitures électriques.