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Le choix des matériaux

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Introduction :

Dans le cours de CM1 sur les matériaux, nous avons découvert les familles des matériaux et quelques-unes de leurs propriétés.
Il y a un autre aspect qui est important dans le choix des matériaux d’un objet technique : leur impact environnemental, c’est-à-dire les modifications de l’environnement que sa production et son utilisation entraînent.
C’est ce dont nous allons parler dans ce cours.

L’impact environnemental d’un objet technique

Commençons par étudier l’impact environnemental d’un objet technique, en nous intéressant plus particulièrement au vélo à assistance électrique.
Celui-ci est de plus en plus populaire. En effet, il permet à toute personne, même peu sportive, de se déplacer à vélo, plutôt que de rouler en voiture. Et il ne produit pas de gaz polluant en roulant.

Le schéma ci-dessous donne les principales étapes dans la vie d’un vélo à assistance électrique, en indiquant les impacts que chacune a sur l’environnement.

  • Ce cycle de vie est valable pour la majorité des objets techniques que nous utilisons.

Cycle de vie d’un objet technique et impact environnemental Cycle de vie d’un objet technique et impact environnemental

Le vélo à assistance électrique aide le cycliste à pédaler grâce à un petit moteur alimenté par de l’électricité. Celle-ci est fournie par une batterie.
La plupart des batteries, y compris celles de nos téléphones et ordinateurs portables, utilisent le lithium, un métal, qui fait donc partie de la famille des matériaux métalliques.

  • On l’extrait souvent de roches ou de sels (par exemple, de déserts de sels).

Cela demande une grande quantité d’eau et consomme beaucoup d’énergie. Il pollue également les sols, les réserves d’eau et l’air.
De plus, les stocks de lithium sont limités et la fabrication de batteries en grande quantité contribue à l’épuisement des ressources de la planète.

Alt texte Sels d’où est extrait le lithium, Uyuni, Bolivie (© Dan Lundberg, WikimediaCommons, CC BY-SA 2.0)

  • Durant son utilisation, on peut avoir l’impression que le vélo à assistance électrique n’émet pas de gaz polluants. Pourtant, il faut recharger régulièrement la batterie.

Il convient alors de se demander d’où vient l’électricité que l’on consomme. Est-elle produite par des centrales à charbon, extrêmement polluantes ? Provient-elle d’énergies renouvelables (solaire, éolienne, hydraulique…) et quels en sont les impacts environnementaux ?

  • Vient le moment de la fin de vie de l’objet technique.
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À retenir

Il y a trois principales possibilités :

  • la réutilisation ;
  • le recyclage ;
  • l’incinération (objet détruit par le feu) ou l’enfouissement (objet enterré dans le sol).
  • La réutilisation, quand elle est possible, est la meilleure solution.

L’objet technique et les matériaux qui le composent ont une nouvelle vie, sans pollution supplémentaire, si ce n’est le transport.

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À retenir

En effet, n’oublions pas que, entre chaque étape de la vie de l’objet, il faut transporter les matériaux, les composants ou l’objet technique lui-même.

  • Cela veut donc dire consommation d’énergie et production de gaz polluants par les différents transports.
  • Pour le recyclage, il faut aussi de l’énergie. Il y a en outre pollution de l’air et des sols, avec les produits utilisés pour nettoyer, par exemple.

Mais cela a tout de même beaucoup moins d’impact sur l’environnement que la production de nouveaux matériaux.

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À retenir

C’est pour cela qu’il faut, dans le choix des matériaux, faire attention à la possibilité de recyclage.

Pour la batterie du vélo à assistance électrique, le lithium peut être recyclé, mais il ne l’est en réalité que très peu. C’est un processus compliqué, qui coûte cher. Les fabricants préfèrent donc utiliser du lithium tout juste extrait.

  • Quant à l’incinération et l’enfouissement, c’est la pire solution.

En effet, cette méthode engendre la pollution de l’air et des sols, et ne permet pas de recycler les déchets.

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À retenir

Tout objet technique a des conséquences sur l’environnement.
Pour se rendre compte de l’impact environnemental réel d’un objet technique, il ne faut pas se contenter d’étudier son utilisation. Il faut s’intéresser à chaque étape et regarder, de manière globale, la vie de l’objet, de sa conception à sa fin de vie.
Et c’est aussi grâce à cela qu’on pourra décider quel objet technique est nécessaire, ou non, et avec quels matériaux il sera fabriqué :

  • quel est l’impact environnemental de l’extraction et de la production des matériaux ?
  • a-t-il fallu les transporter sur de longues distances ?
  • pourra-t-on les recycler, les réutiliser ?

Le choix des matériaux

Nous connaissons maintenant les propriétés des matériaux, mais aussi leur impact sur l’environnement. Comment, alors, choisir les matériaux à utiliser pour fabriquer un objet technique ?

Reprenons l’exemple du vélo, non électrique cette fois.
Et nous voulons un vélo pour se promener tranquillement, pas trop cher.

  • Nous avons vu dans les leçons précédentes qu’il servait à se déplacer.
  • C’est sa fonction d’usage.
  • Nous avons aussi vu que la forme d’un objet dépend également du goût de l’utilisateur, de l’utilisation précise qu’il aura de l’objet, de son budget…
  • Ce sont les fonctions d’estime.
  • Enfin, pour réaliser sa fonction d’usage, le vélo a besoin de remplir quatre principales fonctions techniques : portage, propulsion, guidage et freinage.
  • Nous nous intéressons plus particulièrement au portage.

Une des solutions techniques pour l’assurer est le cadre : il est l’élément central du vélo, auquel les autres éléments sont reliés.

Principaux éléments techniques d’un vélo

Un cadre de vélo doit résister aux chocs, être rigide et solide, pour supporter le poids du cycliste.

  • Nous nous orientons vers la famille des matériaux métalliques, qui ont ces propriétés.
    Nous pensons aussi aux matériaux composites, qui peuvent allier les propriétés de plusieurs familles.

Trois matériaux sont alors possibles pour fabriquer un cadre :

  • le carbone, un matériau composite (c’est un plastique renforcé de fibres de carbone) ;
  • l’aluminium, un matériau métallique ;
  • l’acier, aussi un matériau métallique.
  • Regardons les qualités et les défauts de ces matériaux :

qualités et défauts du carbone, de l’aluminium et de l’acier

Notre vélo servira à des balades faciles, nous n’avons donc pas besoin d’un vélo de compétition : il nous importe peu qu’il soit très léger. En revanche, nous ne voulons pas d’un vélo cher, qui casse assez facilement et dont les matériaux ne sont pas, ou peu, recyclés.

  • Nous allons ainsi choisir l’acier.

Celui-ci est lourd, mais cela convient bien pour des balades : nous ne cherchons pas la performance, nous voulons surtout la sécurité, que la solidité de ce matériau offre. Il répond ainsi à notre besoin.
De plus, le gros avantage de l’acier, notamment par rapport à l’aluminium, c’est sa durée de vie : l’aluminium s’use vite ; l’acier, lui, rouille, mais, avec un peu d’entretien, il peut durer très longtemps.
Enfin, l’acier « neuf » a un impact sur l’environnement modéré (moyen). Et on sait le recycler.

Conclusion :

Ce cours nous a permis de voir comment choisir les matériaux d’un objet technique.
Il faut bien sûr veiller à choisir les matériaux les plus adaptés, selon la fonction d’usage, les fonctions d’estime et les fonctions techniques.
Et il ne faut pas oublier de vérifier l’impact sur l’environnement qu’auront les différents matériaux. Une production aux conséquences sur l’environnement limitées, la possibilité de réutilisation et de recyclage, tout cela doit aussi guider ce choix.