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La science dans Ironman

Dimanche 15 mars 2015

Par Timo van Neerden

Ironman est une saga de Marvel en trois volets parus en 2008, 2010 et 2013. Il met en scène le milliardaire et fabriquant d’armes Tony Stark qui invente une armure technologiquement avancée et intelligente qui lui permet entre autres de voler et d’utiliser des armes.

Si en 2014 ce genre de choses sont encore de la pure fiction, notons les quelques éléments scientifiques présents dans le films et qui ont fait se retourner dans leur tombes Newton, Faraday ou même Darwin.

ironman ready to fire

De la vitesse du son


Avant même de parler d’Ironman en personne, commençons par le début du premier film. Tony Stark est en Afghanistan pour faire une démonstration militaire de sa dernière invention : le missile Jericho. Il en fait le test devant les yeux de soldats américains, qui sont alors décoiffés par l’onde de choc de l’explosion.

ironman in afghanistan
C’est l’onde de choc qui pose problème ici : dans le film, il met 3 secondes à arriver jusqu’à Stark. Trois secondes, à la vitesse du son (340 mètres par seconde), ça fait environ 1 km de parcouru. En réalité, l’explosion s’est produite beaucoup plus loin !

En comparant la limite neigeuse des montagnes avec celle du Kilimandjaro, on peut donc dire que les montagnes du film font plus que ça : environ 6500 mètres de haut (l’Afghanistan est un pays montagneux avec plusieurs sommets à plus de 7700 mètres). De plus, si on en juge l’absence de végétation dense, de neige et la limite neigeuse, Stark lui-même se trouverait à environ 3000 mètres d’altitude.

En prenant en compte cette vue prise à une vingtaine de mètres de Stark, et sachant que Robert Downey Jr fait 1,73 mètres de haut, une simple application du théorème de Thalès me dit que l’explosion à lieue à 40 kilomètres.

Même si l’explosion est énorme, l’onde de choc dans l’air ne se déplace toujours qu’à la vitesse du son : à cette distance, une explosion verrait son onde de choc arriver sur Stark au bout de 2 minutes. Pas 3 secondes…

Bon, passons à Ironman en chair et en… fer :).


La palladium comme source d’énergie


Tout au long du premier film et au début du second, l’armure de Tony Stark tire son énergie d’un cœur en palladium.

Si l’adamantium de Wolverine, le vibranium de Cap'tain America ou l’unobtainium d’Avatar sont des métaux totalement fictifs, le palladium est réel : il possède le numéro atomique 46 et fait partie des éléments précieux comme le platine.

Le palladium est principalement utilisé comme un catalyseur dans les pots d’échappement, mais aussi en bijouterie, dans les instruments médicaux, en mécanique aéronautique ou en dentisterie. Aucune de ses applications n’est par contre liée à la production d’énergie.

La seule hypothèse possible de production d’une grande quantité d’énergie avec peu de matière, c’est l’hypothèse nucléaire. Le problème, c’est que le palladium est stable et ferait un très mauvais candidat pour ça. L’utiliser dans une centrale à fusion nucléaire n’est pas possible non plus : dans le cas du palladium, on consommerait plus d’énergie qu’on n’en produirait. Enfin, la dernière hypothèse envisageable serait un générateur à antimatière, mais là encore la rentabilité est négative…

Le choix du palladium relève à mon avis de la mythologie grecque : le Palladion était une statue d’Athéna dans une armure, un peu comme Ironman, donc.

Faire fondre le palladium


Prisonnier dans sa grotte, Stark utilise un feu de bois (ou de charbon) pour faire fondre du palladium et forger son armure :

molten palladium
Le palladium fond à une température 1554°C, ce qui est légèrement supérieur à la température de 1538°C de fusion du fer.

Si un feu de charbon de bois ou le charbon peut monter à des températures de plus de 2000°C, ce n’est le cas qu’avec un apport contrôlé en oxygène. Dans une cheminé ouverte ou un poêle à bois, la température n’est pas suffisante pour faire fondre du fer : sinon les poêles fondraient eux-aussi.

Dans l’hypothèse que le feu soit effectivement assez chaud pour fondre du palladium, ce dernier serait alors au moins à 1554°C.
Par conséquent, le métal liquide à cette température serait blanc et lumineux, surtout pas d’un aspect métallique ! C’est la loi de Wien : n’importe quel corps émet un rayonnement électromagnétique qui dépend de la température.

Un métal chauffé à 1554°C brille d’une lumière blanche. Le corps humain qui est à 37°C émet également de la lumière, mais de l’infrarouge, c’est pour ça qu’on le voit dans l’obscurité avec une caméra infrarouge !

Pour le film, ils ont probablement utilisé un métal qui fond à basse température comme l’étain (qui fond à 232°C), le plomb (328°C) ou l’aluminium (660°C). Mieux, ils auraient pu utiliser le gallium (28°C) voire du mercure (liquide à température ambiante), mais pour ce dernier je permet de douter étant donnée que ses vapeurs sont toxiques.


L’armure en acier


La première version de son armure est créée dans une grotte, sous la pression d’un groupe armé et avec peu de moyens. Il n’a en métaux que de l’acier et quelques grammes de palladium à sa disposition.

Admettons (bien que ce n’est pas possible) que l’on puisse tirer de l’énergie du palladium. Stark déclare qu’il tire 3 gigajoule d’énergie chaque seconde (soit une puissance de 3 gigawatt) de son réacteur à arc. À ce rythme il pourra produire de l’énergie durant 5 jours et demi avant que tout son palladium soit convertie en énergie (selon E=mc²).

Il dit que son réacteur à arc peut aussi alimenter « quelque chose de gros » durant 15 minutes. Ça voudrait dire que son armure consomme à elle seule pas moins de 430 MW/h, soit environ la moitié de la puissance d’une centrale nucléaire. Prenant en compte la dissipation thermique, même 1% de pertes correspondraient à 2000 convecteurs électriques de 2 kW. Conclusion : l’armure fond en l’espace de quelques secondes.

Bon, l’armure lui a quand même permis de s’enfuir de la grotte. Après, je passe sur le fait qu’il soit retrouvé en quelques heures par l’armée US, alors qu’il s’est écrasé dans un désert afghan de 200 000 km².


La propulsion


iron man propulsion
Rappel de mécanique élémentaire : « pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée ».

C’est la 3ème loi de Newton : celle des actions réciproques. C’est ce principe qui est utilisé par les avions à réaction ou les fusées pour se propulser. Elle dit que pour que la fusée s’élève, il faut une force égale ou supérieure à son poids et dirigée vers le bas. En pratique, cette force est obtenue en éjectant des gaz à grande vitesse.

Pour Ironman, c’est la même chose : pour que l’armure se soulève, il faut propulser du gaz vers le bas. En tout cas, c’est ce qui semble se produire quand ont voit des documents et de la poussière voler quand il plane au dessus, lors de ses premiers tests.

D’où vient ce gaz ? Dans une fusée, c’est de l’hydrogène qui brûle avec de l’oxygène, mais pour Ironman le générateur est nucléaire : il n’y a pas de production de gaz. On voit pourtant des traînées de fumée noir dans d’autres scènes du film : l’armure émettrait tout de même des fumées de combustion ? Ce n’est pas cohérent.

Vu qu’il n’y a pas de combustion et de production de gaz avec un réacteur nucléaire, il reste la solution des turbo-réacteurs : une turbine aspire l’air et le propulse. Ceci non plus ne colle pas toujours : on voit l’armure évoluer sous l’eau et dans l’espace, là où il n’y a pas d’air à propulser :
iron man underwater
Certains forums ou sites parlent également de la propulsion ionique.
Un tel moteur utilise un électroaimant pour accélérer des ions (particules chargées) et les propulser. Ce sont ces particules éjectées qui produisent la force de poussée, là aussi par réaction.

Ceci pourrait fonctionner… à condition d’avoir un stock conséquent d’ions dans l’armure et aussi un générateur d’ions extrêmement puissant. De plus, il faut savoir que la propulsion ionique n’est pas puissante du tout : elle ne produit des poussées que de 50 à 250 millinewton : avec ça, il faudrait 4000 moteurs ioniques pour soulever un homme de 100 kg, sans compter l’armure elle-même ni les 500 tonnes de carburant ioniques.

Cette explication de la propulsion ionique ne tient donc pas vraiment la route non plus, mais sa mention sur les forums est sûrement dû à une mauvaise compréhension de son principe de fonctionnement.

La propulsion de l’armure d’Ironman reste un mystère total pour la science.
Et concernant l’accélération subie par Stark, elle est d’environ 13,7 g ; on détermine ça dans le 3ème film, au moment de la chute des 13 personnes de l’avion et en calculant la décélération finale subie par tout ce monde (voir plus bas) et en rapportant cette valeur à l’accélération subie par Stark seul avec la même puissance. À ce niveau, il devrait subir des effets de voile noir, surtout dans un position debout en décollage vertical.


Le coffre contenant l’armure


Dans le film #2, maintenant, on passe sur le début où Vanko (un hater de Stark) produit une sorte d’armure à partir de la même technologique que Stark, également dans son garage mais avec un perroquet (je ne savais pas que ces oiseaux tropicaux survivaient en Russie en période hivernale… On en apprend tous les jours, décidément).

Voyez le coffre qui contient une version pliée de l’armure de Stark :

ironman suitcase
On sait depuis la fin du premier film que l’armure est faite en un alliage d’or-titane : or, si le titane est un métal assez léger (deux fois plus léger que l’acier), l’or lui est extrêmement dense (pratiquement cinq fois la densité du titane).

Calculons le volume de l’armure, excluant Stark : admettons pour cela et pour simplifier que l’armure fait 3 cm d’épaisseur sur toute la surface du corps. Or, un corps humain possède une surface corporelle d’environ 1,7 m².
Pour que le corps de Stark soit contenu dans l’armure, celle-ci doit être plus grande encore (sinon je plains à nouveau Stark à chaque fois qu’il doit se vêtir de l’armure), mais on fera comme si l’armure avait la même surface qu’un homme moyen.

Le volume de métal de l’armure est donc de 3 cm × 1,7 m² = 0,051 m³.
Si on dit que ce volume est à 50% composé de titane et à 50% d’or, alors la masse de l’armure est d’environ 607 kg (492 kg d’or et 115 kg de titane).

Conclusion : à moins que Happy soit un super haltérophile génétiquement modifié, soulever l’armure à une seule main n’est pas possible… Mais les progrès de la science, tout ça…


L’équation du champ d’Einstein


(non, pas celui où il faisait pousser des plantes qui n’étaient pas que du thym, l’autre champ : celui de gravitation)

Un peu plus loin dans ce même film, Furry délivre à Stark des affaires ayant appartenu au père de Tony. Ces affaires contiennent entre autre un cahier que Stark feuillette et sur lequel on peut voir des équations :

einstein equation in ironman
Sur la page de gauche, la première équation correspond en réalité à une forme de l’équation des champs d’Einstein en relativité générale, décrivant la déformation de l’espace-temps sous les effets de la gravitation :

einstein equation
Elle est légèrement différente dans le livre, car il s’agit d’une forme équivalente. Si on lit décrypte le texte les traits à l’encre autour, on note effectivement qu’il s’agit d’une variante de cette équation, dans des cas particuliers.

Les pages suivantes sont également intéressantes.

On trouve par exemple un dessin du tesseract (objet qui sera la base de l’intrigue dans Avengers — et qui au passage n’est pas un tesseract au sens géométrique, mais juste un cube : un tesseract est une figure en 4D et dont on ne peut seulement avoir qu’une projection dans nos trois dimensions et une misérable « surprojection » en 2D, sur un écran) ; quelque chose à propos des densité spectrales d’énergie au voisinage d’un champ gravitationnel intense et… une page mentionnant l’effet Zeeman.

L’effet Zeeman qui est… l’analogue au champs magnétiques de l’effet Stark aux champs électriques, sur les les raies spectrales d’émission.

L’effet Stark étant en réalité le fait pour un atome d’avoir son spectre d’émission altéré (les raies sont éclatées) à cause de la présence d’un champ électrique (champ magnétique dans le cas de l’effet Zeeman).

En fait, dans le film, le découvreur de l’effet Stark est Howard Stark, le père de Tony Stark ! Bien joué non ?


L’accélérateur de particules


Stark, utilisant les travaux que son père n’a pas pu terminer à cause du manque de technologie à son époque, décide de synthétiser un nouvel élément chimique. Il construit pour cela un mini-accélérateur de particules, analogue au LHC dans sa forme torique :

particle accelerator ironman
D’un point de vue scientifique, les bricolages de Stark sont assez grossiers : déjà l’intérieur du « tube » de l’accélérateur est vide — je veux dire rempli de vide — ce qui prend déjà quelques jours ou semaines à se faire dans la réalité. Si on veut obtenir quelque chose comme de l’ultra-vide. Il faut également refroidir tout le dispositif avec de l’hélium liquide.

De plus, construire un accélérateur de particules demande une certaine quantité de courant électrique et de gros fils. Donc à moins d’avoir quelques gros réacteurs à arc et plusieurs tonnes de palladium (ce qui serait scénaristiquement possible, même s’ils n’en parlent pas), son petit fil électrique est inutile.

Ensuite, quand il détourne le faisceau, ce dernier est coupé et aurait logiquement dû s’arrêter après le premier centimètre de déviation, mais passons.

Dans le principe, je ne vois pas trop non plus comment un laser peut produire un nouvel élément : dans la réalité, pour faire de nouveaux éléments, on n’utilise pas des lasers, mais des faisceaux de protons ou des noyaux d’atomes que l’on bombarde sur une cible. Ces faisceaux ne peuvent pas traverser l’air et n’existe donc que dans le vide des accélérateurs.

Enfin, il faut savoir que tous les éléments synthétisés par l’homme (tout ceux au delà de l’Uranium dans la classification périodique) sont instables. Si le plutonium ou l’américanium sont encore exploitable (ils existent matériellement), les tout nouveaux éléments, ceux qui n’existaient pas en 2008 (date du film) ont une durée de vie de l’ordre de quelques microsecondes ou au mieux millisecondes.


Le double pendule


Dans le film 2, on voit Tony Stark face à un double pendule sur le bureau Pepper Potts :

ironman double pendulum
C’est le machin métallique devant lui : il bouge et oscille dans tous les sens. Sur cette vidéo, on le voit en action.

En réalité, cet objet existe mais il est alimenté, sinon il finirait par s’arrêter. Son fonctionnement est basée sur des (électro-)aimants.
Une configuration possible (déductible à partir de l’observation de la vidéo), c’est qu’il y ait un aimant à un bout du petit pendule, un aimant en haut, dans l’angle des deux barres qui supportent les pendules, un aimant au bout du long pendule et un électroaimant en bas, au centre du support :

ironman double pendulum magnets
L’aimant sur le grand pendule, quand il passe en bas, est repoussé par l’électroaimant : ce dernier, commandé de façon électronique, ne fonctionne qu’au moment ou le grand pendule passe au dessus du socle et commence tout juste à s’en éloigner : ainsi, l’électroaimant repousse ce pendule de plus belle et le balancement est entretenu.

Les deux autres aimants, dans le haut du « Λ » et au bout du petit pendule sont en opposition : lorsque le bout du petit pendule approche le sommet de la structure, l ralenti et s’éloigne.

Le mouvement du double pendule sans électroaimant peut être mathématiquement décrit : c’est un système d’équations du second degré fortement dépendant des conditions initiales.

Si on fait intervenir un électroaimant et en incluant les frottements solides sur les axes et les frottements fluides de l’air, il est impossible de décrire complètement le système : la moindre perturbation à un moment ou à un autre changera totalement le mouvement final (définition d’un système chaotique).

Ce joujou peut être acheté : vous en trouverez sur le net pour environ 300 $. Il suffit de rechercher « the swinging stick » ou carrément « iron man double pendulum ».
La raison de ce prix élevé peut venir de la précision de l’instrument : la géométrie des branches et des aimants doit être parfaite pour donner un mouvement de balancier régulier et les axes de rotation doivent être particulièrement résistants aux frottements.


Peut-on cracher du feu ?


On peut parler des corps humains résistants et maîtrisant l’élément du feu, dans le 3ème film :

ironman fire mens
Je ne pense pas qu’il soit possible un jour de faire de telles choses en vrai (on s’en serait douté, je crois).

Autant certains animaux maîtrisent le poison sans être eux-mêmes intoxiqués, autant le feu est trop destructeur pour le vivant : les cellules ne sont faites que de constituants carbonés et de beaucoup d’eau : dès qu’on dépasse un certain seuil de température, toute l’eau entre en ébullition et le tissu vivant est détruit…

Sur Terre, la vie s’est à peu près adaptée à tout : il existe de petits animaux comme les cafards qui résistent à un passage au micro-ondes, ou même les tardigrades : ces petits organismes résistent au vide sidéral, à de fortes pressions pressions (1200 bars), au froid (−200°C), à la chaleur (150°C), à un environnement anhydre, à un environnement chimique (acide/basique…), aux rayonnements cosmiques et aux rayonnements radioactifs (1000 fois la dose létale pour l’homme)… Ces bêtes ont survécus à toutes les extinctions massives de l’histoire de la Terre depuis qu’elles sont là (environ 500 millions d’années), et elles survivront très facilement à l’homme (contrairement à l’homme lui-même…).

Pourtant, même avec tout ça, ils ne résisteront pas au feu.

Ce qui est possible en revanche, c’est qu’une espèce puisse un jour secréter des ergols qui explosent au contact de l’air. Elle pourrait aussi secréter un gaz inflammable (du méthane) et utiliser un système pour y mettre le feu : réaction chimique exothermique ; électricité, comme le font les anguilles électriques, ou un système mécanique comme la crevette pistolet qui utilisent sa pince super-rapide pour produire du vide puis une cavitation lumineuse à plus de 5000°C.

Dans ces cas oui, ces animaux pourraient produire du feu, mais on n’en trouve pas dans la nature. Pourquoi ?

Si une espèce utilisait le feu sans en anticiper les conséquences, il aurait rapidement fait de se blesser ou de détruire son habitat naturel et ainsi de provoquer elle-même son extinction. Si la nature et l’évolution ont pu pousser à de telles créatures dans le passé, ces créatures ne sont d’ailleurs plus là actuellement. L’anticipation de nos propres actions n’est pas quelque chose de répandu dans la nature : la plupart des animaux agissent par instinct.


La chute depuis l’avion


Toujours dans la 3ème film, Stark se trouve à bord d’Air Force One qui est sous l’emprise des hommes du mandarin. L’avion est dépressurisé et tous les passagers sont éjectés. Stark essaye de tous les sauver :

ironman falling from a plane
Premièrement, et d’après les informations fournies par Jarvis, l’altitude de départ au moment où il sort de l’avion est de 30 000 pieds, soit un peu moins de 10 kilomètres d’altitude. À cette hauteur, il fait dans les −30°C. Je doute que cette température convienne aux personnes en costard ou en jupe.

Deuxièmement, si on sort d’un avion à 30 000 pieds d’altitude on perd connaissance en quelques secondes à cause du manque d’oxygène : la pression y est d’environ 1/3 de la pression au sol. Les alpinistes qui grimpent les plus hautes montagnes du monde utilisent d’ailleurs des masques à air pour survivre.

Troisièmement, la vitesse maximale en chute avec la résistance de l’air à ces altitudes pour un corps humain à plat est environ 200 km/h. La durée de la chute est correcte, mais ce qui gène, c’est la décélération à la fin : la dernière personne à être attrapée l’est à 100 pieds d’altitude (30 mètres). À cet endroit, il tombe encore à 200 km/h.
Stark freine tout le monde sur environ 20 mètres : ils passent donc de 200 km/h à 0 km/h sur une distance de 20 mètres. Tout le monde subit donc une décélération de 6,4 g : environ la même chose que ce que subit un parachutiste au moment de l’ouverture du parachute. Ceci n’est donc pas irréalisable. Du moins pour le nombre de g subis… car il y a mieux !

Il y 13 personnes en tout, selon Jarvis : deux branches de 6 personnes et la dernière se trouve sur le dos de Stark. L’hôtesse en haut de la branche humaine porte donc à bout de bras 5 personnes, chacune pesant 6,4 fois son poids. Ça fait donc 2,2 tonnes de traction sur le bras. Ceci représente 4 fois le poids supportable par l’os du bras et sans tenir compte du poignet ou du coude qui devraient normalement être arrachés sous une telle force.

Cette scène est donc triplement impossible, mais pas sur la décélération importante, comme on pourrait le croire.


Pour conclure


J’ai vraiment beaucoup aimé la série des Ironman. J’aime toute sa technologie et tout le génie de Stark. Cependant, en vrai on est encore loin de faire tout ce qu’il fait : le principal problème étant le besoin d’une source d’énergie concentrée.
C’est le seul point noir de notre époque en fait : on tire encore l’énergie de vieux dinosaures morts et décomposés, et un peu de l’uranium dans la croûte terrestre.

Si on pouvait avoir une source d’énergie plus concentrée encore (anti-matière, énergie du vide, peut-être un truc sur la matière noire ou autre chose), alors on aurait tous notre armure, notre générateur d’énergie et tout ce qu’on veut…