Les enjeux écologiques de l'hyperloop, le 5ème moyen de transport annoncé
Auteur/autrice : GaBaBrAmBa
Les articles du site sont signés de l'acronyme GaBaBrAmBa constitué des initiales des noms des membres du groupe de travail qui assure la présentation. 2020-21
De nos jours, les transports que nous utilisons quotidiennement sont sujets à de nombreux débats notamment liés à la préservation de l’environnement même si des progrès ont pu être enregistrés comme pour les TGV qui recourent à l’énergie électrique. Toutefois, ces progrès restent limités dans une optique de préservation de l’environnement sur le long terme. En 2013, M. Elon Musk, milliardaire canado-américain reprend l’idée d’un moyen de transport : l’Hyperloop 1 .
Le projet pourrait contourner certaines contraintes liées à l’environnement et faciliter le déplacement des hommes et des marchandises grâce à des caractéristiques révolutionnaires. Toutefois, un tel projet n’est pas exempt de défauts et sa réalisation est très complexe.
Los Angeles – San Francisco en 30 minutes Credit Photo – Hyperloop One
Avant de nous attaquer au chapitre du projet Hyperloop lié à la physique-chimie et aux sciences de la vie et de la terre, nous présenterons dans une brève première partie ce qu’est l’Hyperloop et ses précurseurs, en nous attachons principalement à l’idée originale du projet telle que reprise en 2013 par M. Leon Musk.
Ensuite, dans une deuxième partie, nous nous attacherons à l’examen de deux caractéristiques du projet : le navette qu’il est envisagé d’utiliser pour le transport des personnes et des marchandises d’une part et les caractéristiques du tube dans lequel se déplacera la navette d’autre part.
Dans une troisième et ultime partie nous essayerons d’aborder la problématique du dossier et d’expliquer « Dans quelle mesure le projet Hyperloop s’inscrit dans une démarche respectueuse de l’environnement ».
Dans son
fonctionnement, l’Hyperloop se rapproche davantage du modèle aérien que
ferroviaire.
Le fonctionnement de l’Hyperloop. – Crédits Adrian LEUNG Gal ROMA / AFP
En effet, la
capsule se trouve dans un tube surélevé et se déplace grâce à des coussins d’air
propulsés par champ magnétique à basse pression, ainsi, très peu d’air circule
dans les tubes.
En guise de
comparaison, le TGV roule sur des rails tandis que l’Hyperloop est en
sustentation magnétique (procédé de lévitation magnétique de matière). Grâce à
cette sustentation magnétique, l’Hyperloop évite les frottements rails/navettes
ce qui aboutit à un gain de vitesse énorme (la lévitation est ici possible
grâce à des électro-aimants). Il est impossible que la navette déraille :
augmentation de la sécurité.
Pour gérer
cette sustentation magnétique, il faut générer de la supraconductivité. Ce
phénomène concerne un matériau conducteur qui ne perd pas d’énergie. Nous
savons que la matière est composée d’atomes qui sont composés de noyaux autour
desquels gravitent des électrons et le courant électrique se forme grâce au
déplacement désordonné de ces électrons qui se collisionnent les uns aux
autres, ce qui produit de l’énergie, mais engendre de grandes pertes (10 % de l’énergie
électrique développée en France en 2017 a été ainsi perdue). Cependant, la
supraconductivité permet de remédier à ce problème : en portant le corps à une
température de 0 Kelvin° (-273°Celsius), les électrons s’associent en paires,
se synchronisent et forment une onde collective, éliminant ainsi les pertes
d’énergies. La supraconductivité est très peu utilisée aujourd’hui, mais sera
très importante dans les technologies futures, y compris l’Hyperloop.
La navette
avance grâce à un moteur à induction linéaire : moteur électrique, parcouru par
un courant continu placé dans un champ magnétique, le tout généré par une tige
métallique placée au contact de deux rails conducteurs d’électricité. Le système
de propulsion utilise également des électro-aimants, tout comme le système de
sustentation. Le système a été testé et validé.
Crédits: Le Département de physique de l’Université de Sherbrooke
Le respect de l’environnement, les problèmes liés à l’écologie, figurent dans les objectifs du projet Hyperloop. Trois volets ont été privilégiés dans l’analyse et les recherches effectuées pour l’appréciation de l’impact écologique comparé de l’Hyperloop et des moyens de transport classique.
La consommation énergétique
Moyen de transport
Énergie
Hyperloop
Énergie solaire
Avion
Énergie polluante : Kérosène
Voiture, Bus
Énergie polluante : Pétrole
Train
Énergie électrique, nucléaire et fossile : Pétrole
Bateau
Énergie polluante : Pétrole
Sur les 45 milliards de tonnes de CO2 émises en 2017, 15% sont dus aux transports actuels, soit 6,75 milliards. Les conséquences du CO2 ne sont plus à présenter tant elles sont néfastes pour l’environnement. Bien que des progrès notables aient été enregistrés puisque les TGV recourent désormais l’énergie électrique laquelle en France est produite à partir de l’énergie nucléaire1.
Ainsi, l’Hyperloop n’émettrait pas directement de CO2, en cas d’utilisation d’énergie électrique ce qui est effectivement le cas. Le choix s’étant en outre, porté sur de l’énergie électrique générée à partir de l’énergie solaire produite à partir de panneaux recouvrant les tubes dans lesquels circulent les navettes, l’émission de CO2 sera donc nulle dans un contexte où le réchauffement climatique tend à augmenter le prix de la tonne de CO22. En effet, des panneaux solaires seront installés tout au long des tubes et généreraient 120 w/m² et plus de 57 milliards par année selon les estimations, soit même plus que ce dont l’Hyperloop aurait besoin. Il est plus qu’autosuffisant.
Ainsi donc, l’Hyperloop serait un avantage écologique selon ses promoteurs3 et pourrait même fournir plus d’énergie qu’il n’en consomme selon certaines études 4:
« Project developers claim HTT offers more options than a highway as it is cost effective and can use a combination with renewable energy, kinetic energy and geothermal to provide 30 per cent more energy than it consumes. « 5
L’avantage de l’hyperloop ainsi exprimé, même s’il serait indiscutable, ne le distingue pas pour autant du train classique électrique comme le relève le dossier EELV déja cité qui fait noter que si l’on couvrait les voies SNCF d’un nombre suffisant de panneaux photo-voltaïques on pourrait aboutir aux mêmes conclusions.
Les nuisances sonores
Moyen de transport
Sonorité (en décibels)
Hyperloop
Faible (comme le tram, 60 db)
Avion
Extrêmement élevée ( 140 db au décollage pour certains appareils)
Voiture, Bus
Assez élevée (Bruit du moteur, 70db)
Train
Extrêmement élevé (Frottement des roues sur les rails, 130 db)
Bateau
Assez élevée (Corne de brume, moteur, 130 db)
La sonorité
est quant à elle, aujourd’hui considérée comme une pollution à part entière. En
effet, ses conséquences sur la santé à moyen terme sont importantes :
altération de l’ouïe temporaire ou définitive, mais pas seulement puisque, à
court terme, une forte exposition aux nuisances sonores entraîne une fatigue
souvent intense, des risques d’hypertension, des troubles digestifs et du
stress. Pour interpréter cette information en chiffres : le bruit émis par
un avion au décollage est de 130 décibels, soit le niveau maximum. Sachant que
d’après une étude de l’ASN (Association Safety Netword) spécialisée dans les
statistiques concernant les avions, 37 millions décollent chaque seconde soit
près de 5 milliards de décibels sont recensés chaque seconde à travers le
globe. L’Hyperloop contourne également ce problème étant donné que la
composition de ses tubes et de ses capsules, lui assure un niveau de sonorité
très faible : équivalent à celui du tramway (60 décibels environ, même niveau
qu’un lave-linge ou qu’un aspirateur).
Réduction de la pollution induite par les moyens de transport classiques
Utile pour n’importe quelle distance de moins de 1500 km (100 €)
Avion
900 km/h – 75 min
Fiable – utile pour les moyennes et grandes distances (100€)
Voiture Bus
100 km/h – 7 heures Utile pour les courtes et les moyennes distances Très utilisé Saturation des infrastructures
Train
300 km/h – 4 heures Utile pour les moyennes distances (130 euros)
Bateau
50 km/h Utile pour les longues distances Peu compétitif sauf pour les marchandises Lent Infrastructures limitées
L’Hyperloop décongestionnerait les routes (embouteillages, pollution) et représenterait une alternative plus respectueuse de l’environnement que l’avion pour les vols court et moyen-courrier. Il absorberait une partie du trafic aérien mondial qui depuis 1945, double tous les 15 ans 7 .
La matière qui composera les capsules de l’Hyperloop a hérité du nom de Vibranium, en référence au célèbre bouclier du Captain America, de l’univers Marvel.
Seul l’Hyperloop sera équipé de cette nouvelle technologie qui a été développée par HTT (Hyperloop Transportation Technologies qui est l’une des trois grandes firmes à avoir repris le projet d’Elon Musk) et la société slovaque C2I qui est spécialisée dans les alliages en fibres de carbone jusqu’ici à destination de l’industrie automobile et aéronautique.
Le vibranium est composé de multiples couches de carbone et dans le cas de la capsule, on en compte 82. Il est assez courant que les fibres de carbone soient particulièrement résistances; celles qui seront utilisées pour les capsules Hyperloop auront la particularité d’intégrer des capteurs qui pourront envoyer des informations sur l’état de la structure, sa température et son intégrité1. Le nouveau matériau sera huit fois plus résistant que l’aluminium et dix fois plus que l’acier.
Vue externe d’une capsule recouverte de vibranium (Crédits HTT)
Les fibres
de carbones peuvent être produites à partir de :
précurseurs chimiques
par distillation de charbon ou de pétrole
par traitement de pulpes de bois
par fibres de plante
Avantages
Inconvénients
Très rigide Résiste à la traction et à la compression (plus solide que l’acier)
Coût de fabrication très cher (à peu près 15 euros au kilo)
Très léger (70% plus que l’acier)
Procédés de fabrication très énergivores (les fours montent jusqu’à 2000°C)
Procédés industriels très longs (4 minutes le cycle)
Économique : 1g d’émission de CO2 économisé par 100g de fibres de carbone utilisés
Sécurité maximale : des passagers au maximum en cas de crash grâce à la résistance de cet alliage
Concernant
les inconvénients, des solutions sont prévues : Les prix de vente sont en train
de baisser, ainsi, le prix du kilo devrait tomber à 8 euros. D’autres procédés
de fabrication sont en cours d’élaboration afin de réduire les consommations en
énergie comme cibler précisément la partie qui doit être chauffée. Le temps de
fabrication d’un cycle devrait passer de 4 minutes à moins d’une minute grâce à
des machines plus performantes.
Le Vibranium sera un matériau très écologique puisqu’il ne diffuse que peu ou pas de gaz à effet de serre. Ses caractéristiques sont stupéfiantes. La sécurité des passagers est très élevée. Les quelques défauts vont presque devenir des avantages d’ici quelque temps. Un test à 800 km/h en 2016 a été réussi avec succès et les résultats du Vibranium étaient au-dessus des attentes.
Sur le papier, l’Hyperloop serait la solution parfaite alliant nouvelles technologies, préservation de l’environnement et sécurité des passagers. Toutefois, un tel projet bien que révolutionnaire ne serait-ce que sur le papier, demande du temps, de l’argent et des concessions sur le plan de l’aménagement du territoire (construction des infrastructures). Le projet est annoncé pour les années 2030 et même l’année 2020 pour le projet d’Abu Dhabi à l’occasion de l’exposition universelle qui s’y tient.
Nos recherches à l’occasion de la préparation de l’unité de controverses nous a permis de mesurer l’ampleur des projets en cours et leur pluridisciplinarité qui nous ont permis d’aborder au moins trop domaines de la physique-chimie, des sciences de la vie et de la terre et de l’écologie. L’examen de la problématique autour de l’écologie du projet confirme la « propreté » du mode transport si celui-ci pouvait être réalisé comme prévu et selon les stipulations énoncés dans les spécifications du Document alpha. Mais, est-ce aussi sûr? Le projet est-il viable lorsqu’il est envisagé dans des espaces non désertiques et qu’il faille limiter l’impact de l’artificialisation des terres urbaines et agricoles1?
D’autres projets moins ambitieux ont échoué dans le domaine du transport avant d’avoir connu un début de réalisation d’autres aussi ont été marqués après leur réalisation comme l’Airbus A380 « trop grand, trop cher, trop gourmand » qui vient d’être prématurément abandonné bien que plus de 232 exemplaires aient été produits à ce jour et que quatre-vingt autres sont programmés pour une livraison au cours des quatre prochaines années.
Le projet Hyperloop est très certainement intéressant au niveau des idées et va permettre à différents chercheurs, savants d’intervenir et d’accélérer la recherche, mais, qu’il soit lui-même réalisé, c’est trop tôt, trop bien.
L’accord du 14 juin 2018 pour réaliser le Chicago Express Loop – bien différent de l’Hyperloop – illustre bien ces réserves, car l’abandon des pylônes, du vide, des coussins d’air et de la très grande vitesse initialement prévus dans le projet de M. E. Musk de 2013, permettent de mesurer les difficultés de réaliser le 5e mode de transport du futur2.
Voici à quoi ressemblera le « Chicago Express Loop » qui reliera l’aéroport de Chicago au centre cille en une douzaine de minutes contre une heure en taxi aujourd’hui en cas de circulation fluide.
Vidéo de présentation du Chicago Express Loop, Crédits: The Boring Company
L’Hyperloop, version Elon Musk1, devrait permettrait de transporter à une fréquence élevée des personnes/marchandises à une vitesse subsonique (environ 1 100km/h 2) dans un tube, monté sur pylônes, et maintenu sous vide partiel (1 mbar). Dans ce tube, les personnes (28 passagers)/marchandises voyageraient dans des capsules pressurisées ou «pods» (termes utilisés de façon interchangeable dans la publication) dotés d’un ventilateur à l’avant pour expulser l’air arrivant devant le pod derrière lui afin d’égaliser la pression dans le tube, puis de les propulser avec des rails d’accélération magnétiques linéaires à induction sur 1% de la distance soit tous les 100 km. Les pods sont supportés par un coussin d’air. Selon M. Musk, ce système de transport serait économiquement viable pour toute liaison inférieure à 1.500 km : le trajet San Francisco-Los Angeles pourrait être effectué en 35 minutes avec un billet ne coutant que 20 dollars et avec une réduction de 90% des coûts d’infrastructure.
Les caractéristiques du dispositif sont extraits du document officiel « Hyperloop alpha », disponible sur le site de l’une des startups de M. Eon Musk [/efn_note], devrait permettrait de transporter à une fréquence élevée des personnes/marchandises à une vitesse subsonique (environ 1 100km/h 3) dans un tube, monté sur pylônes, et maintenu sous vide partiel (1 mbar). Dans ce tube, les personnes (28 passagers)/marchandises voyageraient dans des capsules pressurisées ou «pods» (termes utilisés de façon interchangeable dans la publication) dotés d’un ventilateur à l’avant pour expulser l’air arrivant devant le pod derrière lui afin d’égaliser la pression dans le tube, puis de les propulser avec des rails d’accélération magnétiques linéaires à induction sur 1% de la distance soit tous les 100 km. Les pods sont supportés par un coussin d’air. Selon M. Musk, ce système de transport serait économiquement viable pour toute liaison inférieure à 1.500 km : le trajet San Francisco-Los Angeles pourrait être effectué en 35 minutes avec un billet ne coutant que 20 dollars et avec une réduction de 90% des coûts d’infrastructure.
Emplacements théoriques du sous-système de la capsule passager Hyperloop – Crédits : Document officiel « Hyperloop alpha », déjà cité
En 2013 M. Elon Musk, milliardaire américo canadien d’origine sud-africaine qui a fait fortune lors de la vente à eBay de la société Paypal, dont il était l’un des propriétaires, a remis l’idée à l’ordre du jour et a présenté le projet d’un nouveau mode de transport révolutionnaire qu’il qualifie comme étant le 5e moyen de transport après les trains, les bateaux, les avions et les voitures. Il expose son idée dans un document de 57 pages « Hyperloop alpha » et invite de grandes firmes ou personnes aux moyens financiers conséquents à reprendre le projet afin de lui donner vie car, lui-même, ne pourra, a-t-il signalé, se consacrer pleinement au projet par «manque de temps », mais en supervisera les avancées.
Elon Musk annonce sur sa page tweeter le 15 juillet 2013 la publication prochaine les caractéristiques de l’ »Hyperloop » (Crédits: Capture effectuée par nos soins le 17 février 2018 à partir du compte Tweeter 1 2
Dans les dix minutes suivant son annonce, Elon Musk déclarera qu’il encourage l’approche participative et collaborative pour le développement du projet en adoptant une démarche open source 3 et qu’à cet effet, il ne déposera aucun projet.
Elon Musk déclare que la publication en open source de l’Hyperloop quelques minutes après annoncé le projet. (Crédits : Capture effectuée par nos soins le 17 février 2018 à partir du compte Tweeter) 4
Ce choix paraît avoir été judicieux, car, il explique en grande partie la multiplication de par le monde des projets Hyperloop et des startups qui s’y intéressent5, la publicité qu’on en a fait et les articles publiés sur le projet qui ont, en partie, justifié le choix de sujet parmi ceux retenus pour les TPE de 1re S dans le thème « Transport et avenir ». ‘Hyperloop est devenu un jeu d’étudiants comme le sont les robots humanoïdes notamment dans le cadre de la compétition Hyperloop Pod Competition lancée par Space X ou encore d’un autre concours, l’Hyperloop One Global Challenge 6.
Un excellent article, bien documenté de Leana Garfield de Business Insider France, offre une belle rétrospective des projets type Hyperloop. Nous en avons extrait les étapes qui nous ont paru les plus remarquables. 1
Robert Goddard, 1910 Crédits : Wikipedia Commons
L’idée de créer un moyen de transport rapide dans un tube à basse pression, sur coussin d’air, avec suspension magnétique et un véhicule à très grande vitesse est très ancienne (Georges Venger, 1812 ; Robert Goddard, 1910) sans compter les auteurs de science-fiction (Jules Verne, 1889 2 ; Robert Heinlein , 1956) ou les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (1990).
New York – Boston en 45 minutes Crédits : MIT, 1990
Parmi les projets remarquables, celui de la startup ET3 3 , mérite une mention spéciale : c’est le plus récent à la date de la reprise du concept par M. Elon Musk qui, apparemment, en a récupéré plusieurs caractéristiques.
Animation présentant le projet de la société ET3 – Crédits ET3
Notre développement va plus particulièrement porter sur le concept tel que repris par M. Elon Musk[3
