L’Hyperloop est-il un roman de science-fiction ?

Le 12 août 2013, l'entrepreneur californien Elon Musk publia un important document technique relatif à un nouveau transport, appelé Hyperloop Alpha: de petites capsules de 2,2 mètres de diamètre circuleraient sur coussin d'air dans deux tubes aériens sous vide à plus de 1 200 km/h.

Objet d'un grand retentissement dans les médias américains, Elon Musk donne l'occasion de réfléchir à une belle ambition: un cinquième mode de transport. En s'élevant aussi haut qu'il le peut, l'esprit de l'homme a toujours à gagner, n'est-ce pas ? Ce projet est-il néanmoins réalisable dans les dix ou vingt prochaines années ?

Déjà beaucoup de trains rapides en Europe

Les transports collectifs sont différents en Europe et aux États-Unis. Ici, dans les villes et hors des agglomérations, le transport ferroviaire est resté de grande importance, quand bien même la voiture individuelle en général, ne cesse de garder, voire de renforcer sa prédominance. L'attachement des Européens au transport ferroviaire est si fort qu'il est partout difficile de fermer une ligne ferroviaire... fût-elle sans voyageurs ou presque !

Depuis 1981, l'année de leurs premières circulations en France, les trains à grande vitesse sont toujours plus nombreux en Europe : mais depuis l'éclatement des bulles spéculatives aux États-Unis en 2007, les investissements sont moindres. Même là où ce serait utile, construire une nouvelle ligne, à cause des impacts sur l'environnement, est de plus en plus long et de plus en plus onéreux, qu'elle guide d'ailleurs des trains de voyageurs ou des trains de fret .

En Europe comme aux États-Unis, un transport collectif nettement plus rapide qu'un train à grande vitesse - la vitesse maximale est aujourd'hui en Europe de 320 km/h - satisferait l'attente d'une partie des voyageurs. Aller bien plus vite de Paris à Berlin, ou de Londres à Rome, ou de Varsovie à Moscou, c'est un rêve que tout Européen fait régulièrement dans sa vie ! Mais encore faut-il que coûts et prix soient raisonnables. Serait-ce le cas avec l'Hyperloop ?

Trois projets en Europe pour aller plus vite encore

Dans les décennies passées, au moins trois systèmes de transport plus rapides ont été étudiés en Europe. Il y a d'abord le projet de faire circuler des trains à grande vitesse au-delà de 320 km/h. Y travaille avec succès la société Alstom par exemple. Mais la vitesse maximale restera bien inférieure à 400 km/heure : ces recherches ne répondent donc pas à la question posée par Elon Musk.

Il y a eu ensuite le projet allemand de train à sustentation magnétique : abandonné, il aurait permis des circulations à des vitesses nettement supérieures. Sa seule application regarde aujourd'hui une liaison à courte distance (30 km) en Chine, entre l'aéroport international de Shanghai Pudong et la station de métro Longyang Lu Zhan (« Longyang Road ») à Pudong.

Enfin, il y a eu le projet Swissmetro, qui se rapproche un peu, mais un peu seulement, du projet Hyperloop. Les trains magnétiques du projet Swissmetro auraient circulé à 500 km/h dans de petits tunnels (25 m² de section). Afin de diminuer l'effet piston et d'abaisser l'énergie nécessaire, les étroits tunnels auraient été maintenus à la pression d'un dixième d'atmosphère grâce à des pompes aspiratoires installées tous les quinze kilomètres. Ce projet a vaincu en Suisse plusieurs obstacles économiques et administratifs, avant d'échouer devant les approbations financières et politiques. Eût-il été retenu, le projet Swissmetro aurait changé du tout au tout les transports collectifs en Suisse. Il aurait réuni tous les grands nœuds du pays par des liaisons souterraines très rapides, en libérant d'utiles capacités sur le réseau ferré en surface.

Le vieux rêve des trains très rapides à sustentation magnétique

Faire circuler des véhicules dans des tubes sous vide à très grande vitesse (« vactrain » ou « vacuum tube train »), bien au-delà même la vitesse du son (mesurée à la surface de la terre), c'est un vieux sujet de recherche. Combiner le vide et la technologie de la lévitation magnétique (pour faire circuler un « magnetic train » ou « maglev train »[1]) a déjà été approfondi par l'Américain Robert H. Goddard il y a une centaine d'années. Comme par le Russe Boris Weinberg à la même époque. La société américaine ET3, dirigée par Daryl Oster, détient aujourd'hui une licence (« Evacuated Tube Transport » ou ETT) pour le transport d'un véhicule automatique à la taille d'une voiture individuelle dans un tube sous vide de petit diamètre (1,5 mètre). Son dessein est de recourir à la sustentation magnétique et aux moteurs linéaires, pour des vitesses pouvant être extrêmement hautes : de 370 milles à 4 000 miles par heure. La Chine s'intéresse aussi à ces transports sous vide. Ainsi des études approfondies ont-elles été entreprises par un laboratoire (« National Key Laboratory of Traction Power ») de l'université Xinan Jiaotong Daxue (« Southwest Jiaotong University ») à Chengdu.

Le premier train à sustentation magnétique, selon la technique dite « Superconducting Maglev » (technologie appelée EDS), circulera bientôt à pleine puissance sur longue distance au Japon. Le 27 mai 2011, le gouvernement y a autorisé la construction et l'exploitation, par la compagnie ferroviaire Central Japan Railway Company (dite JR Central en anglais ou JR Tokai en japonais), d'une ligne appelée Chuo Shinkansen, longue de 286 kilomètres. Dès 2027, elle transportera les voyageurs de Tokyo à Nagoya en 40 minutes, à la vitesse maximale de 505 km/h. À 86 %, la ligne sera souterraine. Des protections contre le bruit seront placées tout le long des parties aériennes. Quatre gares intermédiaires seront édifiées. La ligne coûtera très cher : environ 40 milliards d'euros. La liaison serait prolongée ensuite jusqu'à Osaka : la seconde phase serait ouverte en 2045.

Les impressionnants obstacles à surmonter par le projet Hyperloop

L'idée d'un transport dans des tubes aériens, et non dans des tubes souterrains, est séduisante. Car les tunnels coûtent cher. Mais la construction en surface est de plus en plus difficile en Europe : elle est même presque impossible dans les agglomérations. Il paraît inéluctable qu'en partie au moins, l'Hyperloop soit souterrain.

Un tube d'acier est élastique. Les deux tubes aériens de l'Hyperloop seront soumis aux pressions des températures externes et internes comme à celles des vents. Ils seront soumis aux forces internes provoquées par les capsules dans les courbes ou les rampes. Ils seront soumis encore à leur propre poids entre deux pylônes. Ces mouvements seront-ils suffisamment bien maîtrisés pour garantir la sécurité des circulations extrêmement rapides à l'intérieur ? La surface intérieure des tubes serait-elle assez lisse pour qu'aucune imperfection de métallurgie ne vienne gêner la course des skis glissant à 1 200 km/h sur des coussins d'air dont l'épaisseur serait inférieure à 1,5 mm ? De cela, on peut douter. Il faudrait un tube bien plus robuste et stable qu'il n'est prévu, donc de conception difficile et de construction onéreuse. En tout cas, la maîtrise des tubes serait beaucoup plus facile s'ils étaient enterrés, comme le sont d'ailleurs la plupart des pipelines, et si les capsules restaient suspendues sous l'effet de forces magnétiques, et non sous l'effet de la gravitation équilibrant la pression d'une fine couche d'air.

La question des vitesses de l'air dans les tubes est cruciale. Le projet Swissmetro s'est attaché à vaincre cette difficulté : ne jamais avoir d'écoulements d'air qui franchissent le mur du son. Même si le vide est bien plus complet, la gageure sera rude pour l'Hyperloop. D'ailleurs, les simulations faites par la société Ansys, dont le siège est à Canonsburg en Pennsylvanie (États-Unis), ont prouvé que les formes et dimensions du projet Hyperloop Alpha ne permettaient pas en l'état des vitesses toujours subsoniques. L'espace entre la paroi intérieur des tubes et les capsules est extrêmement étroit dans la version Alpha du projet, je le rappelle.

Utilisation de la compression et du refroidissement de l'air aspiré

La solution retenue dans le projet Hyperloop pour vaincre l'effet piston, c'est-à-dire la compression par la capsule de l'air pressé en avant, permet de simplifier le problème fondamental de tous les vactrains : trouver le meilleur rapport entre les trois paramètres que sont le diamètre intérieur du tube, la pression résiduelle de l'air dans le tube et le ratio de blocage du tube (« blockage ratio » en anglais). Selon une étude en 2012 de Yaoping Zhang [2] (École du transport et de la logistique, Southwest Jiaotong University à Chengdu), il faut, pour atteindre la meilleure économie à très hautes vitesses, que le diamètre intérieur du tube soit compris entre 2 et 4 mètres, et que la pression de l'air y soit comprise entre 1 et 10 000 pascals (Pa), c'est-à-dire qu'elle soit inférieure à un dixième d'atmosphère. S'agissant du troisième paramètre, à savoir le ratio de blocage, il doit être compris, selon l'auteur, entre 0,25 et 0,7 ; bien entendu, plus petit est le ratio, c'est-à-dire plus étroit est le mobile par rapport au tube, plus grand est le coût nécessaire au maintien du vide dans le tube. Si le projet Swissmetro entre assurément dans ce cadre, ce n'est pas du tout le cas du projet Hyperloop : il doit compenser son caractère extraordinaire par des techniques innovantes, singulièrement la compression et le refroidissement de l'air aspiré devant chaque capsule.

Le projet Hyperloop est fondé sur un départ toutes les trente secondes à chaque terminal. C'est une fréquence impressionnante au regard des transports actuels ! Sur les lignes ferroviaire à grande vitesse, l'Europe est en train d'installer partout un nouveau système de contrôle-commande (« European Rail Traffic Management System » ou ERTMS, de niveau 2). Pour les lignes à grande vitesse, il permettrait de rapprocher les uns des autres, en toute sécurité, les trains lancés à pleine vitesse (300 ou 320 km/h), et de porter le nombre des trains circulant sur la même voie dans le même sens à 18, au lieu de 12. Cela correspond à un départ toutes les deux cents secondes. C'est dire toute la difficulté, au regard de la sécurité en particulier, qu'il y aurait à faire circuler en une heure, dans les tubes d'Hyperloop, dix fois plus de véhicules (3) à une vitesse quatre fois plus haute !

Quelle serait utilité de l'Hyperloop France ?

En France, des lignes à grande vitesse relient, ou relieront bientôt, la plupart des grandes villes. Les trains souvent y roulent, ou y rouleront, à la vitesse de 300 ou de 320 km/h. De nouvelles lignes, avec une nouvelle technologie, ne paraissent pas utiles pour des voyages interurbains, même à des vitesses bien supérieures. Le cas de Nice pourrait certes être examiné à cet égard ; peut-être aussi celui des villes de la côte basque. Mais même là, on voit mal comment justifier une exception, avec des trains qui ne pourraient circuler hors de la région Provence-Alpes-Côte-d'Azur et hors d'Aquitaine. Deux autres types de liaison pourraient être étudiés : celui de liaisons courtes pour des aéroports (entre aéroports, ou entre centre-villes et aéroports), et celui de liaisons internationales. Mais là encore, on peine à trouver des projets possibles, en raison de la densité actuelle des lignes ferroviaires.

Je rappellerai encore que pour beaucoup, l'avenir des transports ne donnera plus une place si grande à la vitesse. D'autres mutations sociales viendront vite transformer l'attente des voyageurs du transport public : le « transport public individuel » (vélo, autopartage, etc.), la disparition des temps perdus (grâce aux nouveaux systèmes d'information), la pleine occupation des délais d'acheminement (travail ou distraction grâce aux terminaux mobiles), etc.

Science versus science-fiction

Alors pour finir, l'Hyperloop, science-fiction ou non ? Quoi qu'il en soit, retenons cette belle définition de la science-fiction selon John Brunner (1934-1995) : « La science-fiction est le moyen d'expression par lequel notre misérable certitude que demain différera d'aujourd'hui de façon imprévisible peut être transmuée en une attente impatiente et passionnante. ».

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[1]    Il existe deux grandes technologies : « Electromagnetic Suspension » (EMS) et « Electrodynamic Suspension » (EDS). La première a été promue par l'industrie allemande, la seconde par l'industrie japonaise.

[2]    « Numerical simulation and analysis of aerodynamic drag on a subsonic train in evacuated tube transportation »

[3]    certes de taille fort différente (une capsule de l'Hyperloop n'aurait qu'une trentaine de sièges)