Comment est née une innovation pour le train (1)

J’ai le petit malheur que mon travail s’effectue dans un domaine assez pointu : l’innovation dans le train. Il m’est donc un peu difficile de décrire exactement ce que je fais s’il s’avère que mon interlocuteur n’est pas un connaisseur des chemins de fer. Vous n’imaginez pas combien de personnes ne s’intéressent pas vraiment aux trains… Je ne comprends pas ! L’avenir du transport de passagers est un mélange de modes dans lequel il y aura beaucoup plus de micromobilité, beaucoup moins de véhicules privés et beaucoup plus de train. Mais pas de taxis volants, à moins que votre expérience quotidienne ne comporte également de temps en temps des vols en avion privé. En plus, le train est cool.

Depuis deux ans, je me consacre à un projet visant à concrétiser une idée que j’ai eue quelques mois avant la pandémie. Je vais raconter ce que j’ai fait d’une manière qui, je l’espère, est compréhensible. Il faut donc d’abord réfléchir à la manière dont un train électrique est alimenté. Cette photo est révélatrice :

Le bouchon coulissant

Le pantographe, ce bras métallique articulé qui se déplie depuis le train et se termine par une sorte de table (la table, ne nous embêtons pas avec le nom) a pour mission de prélever le courant qui alimente le moteur à partir d’un fil suspendu dans un système mécanique dont L’élément le plus visible sont les poteaux, situés au maximum tous les 60 mètres d’un côté de la route. C’est littéralement un bouchon coulissant.

En tant que telle, elle a la vision de n’importe quelle prise : transmettre l’énergie électrique avec le minimum de pertes possibles. Mais cela dépend des caractéristiques mécaniques de l’invention. Le pantographe présente des surfaces de contact transversales à sa direction d’avance, les caoutchoucs. Ils sont en cuivre ou, de plus en plus fréquemment, en graphite : très bon conducteur et doté de bonnes caractéristiques tribologiques. C’est la manière technique de dire « il se lubrifie tout seul », grâce à sa structure moléculaire en plans formés d’atomes de carbone reliés entre eux dans des cellules hexagonales.

La musique de la caténaire

Et le fil ? Pour une nouvelle touche d’originalité, nous l’appelons « fil de contact ». Il a une section approximativement circulaire d’au plus 150 millimètres carrés. Dans les unités populaires, épaisses comme un doigt. Il est constitué d’un alliage solide de cuivre, pur ou avec de petites quantités d’argent, de magnésium ou d’étain, qui conduit très bien le courant. Mieux que presque tous les alliages connus, à l’exception de l’argent pur. Il résiste également à de nombreux passages du pantographe sans trop s’user, ce que l’argent seul ne permettrait pas d’obtenir. Sans compter que l’argent est plus de six fois plus cher. Pour que le contact soit le meilleur possible, il doit être tendu : une valeur courante est de 27 kilonewtons. Comme une corde à laquelle pendent près de 2,7 tonnes.

Je dis habituellement que la caténaire ferroviaire, l’ensemble des systèmes physiques qui résolvent l’alimentation en énergie électrique du train, est un merveilleux macramé métallique en tension mécanique et électrique. Mais un pantographe courant le long du fil de contact m’évoque une autre image : un guitariste glissant son doigt entre les frettes le long d’une corde de sa guitare.

petits rayons

De son côté, le pantographe doit assurer un bon contact avec le filetage. Il le fait en le poussant par le bas. Combien? Idéalement, rien. Parce qu’une force de contact juste au-dessus de zéro serait idéale pour minimiser l’usure des surfaces de la table et du filetage lui-même. Cependant, la vraie vie fait obstacle. Chaque surface présente des irrégularités microscopiques. Le fil de contact et le pantographe ne font pas exception. On est alors pratiquement obligé de pousser plus fort avec ces derniers pour éviter autant que possible le phénomène qui se produit lorsque deux corps parcourus par un courant électrique s’écartent légèrement.

Le décollage momentané produit une petite séparation physique. Si le potentiel électrique dans cet espace dépasse 3 kilovolts par millimètre, l’air « se brise » en tant qu’isolant. Les molécules de l’environnement sont soudainement ionisées et un chemin conducteur est créé. Un petit éclair. Le plasma résultant atteint des températures élevées qui détériorent les surfaces de contact. Et si nous parlons de détérioration, nous parlons de quelque chose que nous voulons éviter.

Alors on pousse plus fort. Mais, comme le savent tous ceux qui ont déjà manipulé du papier de verre, presser plus fort est un moyen d’augmenter la friction et la température entre les surfaces. L’amélioration du contact électrique se fait au prix d’une usure plus rapide des frottements et des fils de contact. Par conséquent, comme Aristote, nous recherchons la vertu dans un juste milieu. Le problème de ce moyen vertueux est la difficulté de garantir son application. En conditions statiques, c’est-à-dire avec un train à l’arrêt et en atelier, on peut prendre le temps nécessaire pour régler les éléments du pantographe. De son côté, la caténaire est soigneusement tendue et ajustée pour qu’elle se comporte de manière optimale.

L’aile involontaire

Mais dans des conditions dynamiques, tout change. Le comportement de la table à grande vitesse est similaire à celui d’une aile. De petites variations de son angle d’attaque produisent des forces de portance positives ou négatives qui modifient le contact électrique dans un sens ou dans l’autre. Les vibrations induites par le pantographe dans le fil de contact affectent également le comportement du système, notamment dans le cas de trains à double traction — et donc à deux pantographes déployés ; les seconds pantographes attaquent un fil de contact bien plus perturbé que le premier. Les éléments du pantographe peuvent perdre leur régulation avec le temps. Et la caténaire elle-même est sujette à des erreurs de montage et à des usures qui aggravent son comportement.

Comment contrôler tout cela ? Nous le verrons dans la deuxième partie de cet article.

Encore un autre exemple d’Homo sapiens. Enfant, il voulait devenir scientifique, astronaute et remporter deux prix Nobel. Au fur et à mesure qu’il grandissait, ces aspirations subirent des réductions progressives : il resta finalement ingénieur en télécommunications. Avec plus d’années d’expérience qu’il ne veut l’admettre à l’intersection du train et des technologies de l’information, il travaille actuellement dans le domaine passionnant de l’innovation ferroviaire en tant que directeur de l’innovation chez Telice, SA. Timide en cure de désintoxication et avec plus de passe-temps qu’il ne peut en compter, quand il a le temps, il écrit sur tout ce qui retient son attention : la science, l’espace, l’ingénierie, la politique…