À seulement 17 ans, ce lycéen conçoit un moteur électrique sans terres rares qui suscite l’intérêt de l’industrie

À 17 ans, Robert Sansone s’attaque aux terres rares avec un moteur électrique inédit

Dans une voiture électrique, la batterie attire souvent toute l’attention. Pourtant, le moteur représente lui aussi un enjeu décisif : il transforme l’énergie stockée en mouvement, doit répondre rapidement aux sollicitations du conducteur et fonctionner de façon fiable pendant des années. Une partie des moteurs actuels s’appuie sur des aimants permanents contenant des terres rares, notamment pour obtenir une forte densité de puissance. C’est précisément cette dépendance que le jeune inventeur américain Robert Sansone a choisi de questionner.

Encore lycéen lorsqu’il présente son projet, il développe un moteur synchrone à réluctance conçu pour fonctionner sans aimants à terres rares. L’ambition dépasse la prouesse de laboratoire : réduire l’emploi de matériaux stratégiques tout en préservant des performances utiles à la mobilité. Une telle innovation intéresse les ingénieurs parce qu’elle touche à un point sensible de la transition énergétique : comment électrifier les transports sans déplacer les impacts vers l’extraction et le raffinage des métaux ?

Une dépendance industrielle qui dépasse la question des aimants

Les terres rares ne sont pas nécessairement « rares » au sens géologique, mais leur extraction et surtout leur transformation sont concentrées dans un nombre limité de pays. Cette géographie crée une vulnérabilité pour les fabricants, soumis aux variations des prix, aux tensions commerciales et aux contraintes d’approvisionnement. Pour une chaîne automobile qui produit des millions de véhicules, un composant difficile à remplacer peut rapidement devenir un risque industriel concret.

Renoncer aux aimants concernés ne règle pas automatiquement tous les problèmes environnementaux. Il faut aussi considérer l’électricité consommée en fabrication, les matériaux du rotor, la durée de vie et le rendement en usage. Toutefois, une architecture sans terres rares peut diversifier les approvisionnements et donner aux constructeurs davantage de choix. C’est une piste parmi d’autres, au même titre que le recyclage des aimants ou l’amélioration des moteurs à rotor bobiné.

La démarche de Sansone rappelle qu’une solution technique prend sa valeur dans son système complet. Une voiture ne se résume pas à une fiche de rendement : elle doit être construite à grande échelle, entretenue et adaptée à plusieurs usages, de la circulation urbaine aux longs trajets. Le défi consiste donc à associer sobriété en matériaux, efficacité et capacité de production, plutôt qu’à rechercher une performance isolée.

Un projet de concours qui attire l’attention

En 2022, son prototype est présenté au Regeneron International Science and Engineering Fair, concours scientifique destiné aux jeunes chercheurs. Le projet se distingue par son objet très concret : améliorer une technologie existante pour répondre à une difficulté que les constructeurs connaissent bien. Le fait qu’un adolescent aborde un enjeu aussi présent dans l’industrie automobile donne à son travail une portée qui dépasse le cadre scolaire.

Cette attention ne signifie pas que le moteur ait été adopté par un constructeur ni qu’il soit déjà prêt pour la route. Elle indique plutôt que la question posée est pertinente et que la méthode mérite d’être étudiée. Une idée née dans un atelier peut inspirer des recherches, à condition que les essais soient reproductibles et que les performances se confirment avec des matériaux et des procédés adaptés à l’automobile.

Pour suivre d’autres évolutions liées aux motorisations, le dossier sur les moteurs électriques et les filières d’innovation à Grenoble montre combien la recherche, les compétences locales et les besoins industriels doivent avancer ensemble. Dans le cas de Sansone, l’enjeu est désormais de passer d’une intuition prometteuse à une solution démontrée dans des conditions proches de l’usage réel.

Comment fonctionne le moteur synchrone à réluctance sans terres rares

Le principe du moteur à réluctance repose sur une propriété magnétique appelée réluctance, que l’on peut décrire comme l’opposition d’un circuit au passage du flux magnétique. Le rotor est construit de manière à favoriser certaines trajectoires du champ plutôt que d’autres. Lorsque le champ magnétique du stator évolue, le rotor tend à s’aligner sur la position qui facilite le passage du flux : cette attraction produit la rotation.

À la différence d’un moteur à aimants permanents, cette architecture n’a pas besoin d’aimants contenant des terres rares pour créer le champ du rotor. Le stator, constitué de bobinages alimentés électriquement, génère les champs nécessaires. Cette distinction est importante : « sans terres rares » ne signifie ni sans cuivre, ni sans acier, ni sans composants électroniques. La technologie change la manière de produire le couple, mais elle conserve des besoins en matériaux et en contrôle précis du courant.

Le défi du couple à bas régime

Les moteurs à réluctance sont employés depuis longtemps dans des applications industrielles comme les pompes ou les ventilateurs. Ces machines peuvent être robustes et pertinentes dans des régimes de fonctionnement relativement prévisibles. Dans une automobile, les attentes sont plus exigeantes : le conducteur demande une réponse immédiate au démarrage, une accélération régulière et un fonctionnement efficace sur une large plage de vitesses.

À bas régime, le couple disponible devient donc un critère essentiel. C’est là que Sansone a cherché à améliorer l’architecture en ajoutant un second champ magnétique au fonctionnement de son prototype. L’objectif consistait à renforcer la force qui entraîne le rotor et à corriger une faiblesse associée aux moteurs à réluctance conventionnels. L’idée est simple à énoncer, mais sa mise au point implique de maîtriser la géométrie des pièces, la disposition des bobines et la synchronisation des champs.

Dans une voiture, un bon couple au démarrage permet de quitter un feu ou de s’insérer dans la circulation sans attendre une montée en régime. Il faut néanmoins maintenir la performance lorsque la vitesse augmente, sans accroître excessivement les pertes électriques ni les vibrations. Une avancée mesurée dans un point de fonctionnement ne garantit donc pas un résultat identique sur l’ensemble du cycle de conduite.

Quinze versions pour affiner une même idée

Le jeune inventeur a fabriqué les composants de son moteur, notamment grâce à l’impression 3D, puis réalisé lui-même une partie du bobinage en cuivre. Il a testé quinze versions successives. Cette répétition est révélatrice de la démarche d’ingénierie : chaque prototype sert à repérer un défaut, modifier une pièce et vérifier si le changement produit l’effet attendu.

Par exemple, une variation de la forme du rotor peut améliorer le trajet du flux magnétique, mais aussi fragiliser la pièce ou compliquer sa fabrication. Un bobinage plus dense peut augmenter la force du champ, tout en produisant davantage de chaleur. Les choix ne sont jamais indépendants ; ils forment un compromis entre rendement, couple, encombrement, coût et résistance thermique.

Dans la pratique, les commandes électroniques jouent également un rôle capital. Elles déterminent le moment et l’intensité de l’alimentation des bobines. Sans réglage précis, le moteur peut devenir bruyant, vibrer ou perdre en efficacité. La réussite d’une architecture repose ainsi sur l’association du rotor, du stator et de l’électronique de puissance : l’innovation mécanique ne peut pas être isolée du pilotage électrique.

Pour situer cette piste dans le paysage des machines électriques, on peut la comparer au moteur à rotor bobiné, qui remplace lui aussi les aimants permanents par un champ créé électriquement. Les deux solutions réduisent la dépendance aux aimants concernés, mais ne répondent pas exactement aux mêmes contraintes de conception. La valeur du travail de Sansone tient à cette exploration méthodique d’une autre voie de production du couple.

Ces principes expliquent pourquoi le projet suscite l’intérêt des spécialistes, mais aussi pourquoi les chiffres d’un prototype doivent être lus dans leur contexte. Le passage du mécanisme à la voiture exige de valider toute la plage de fonctionnement, pas uniquement le régime où les résultats sont les plus favorables.

Des gains mesurés au banc, mais des performances à interpréter avec prudence

Les essais rapportés pour le prototype de Robert Sansone indiquent qu’à 300 tours par minute, celui-ci délivrait 39 % de couple supplémentaire et 31 % de rendement en plus par rapport au moteur de référence utilisé dans la comparaison. À 750 tours par minute, le gain d’efficacité annoncé atteignait 37 %. Ces valeurs ont contribué à faire remarquer le projet, car elles portent sur deux critères directement liés à l’utilisation d’un moteur.

Le couple correspond à la force de rotation disponible sur l’arbre. Le rendement, lui, exprime la part de l’énergie électrique convertie en énergie mécanique plutôt que dissipée sous forme de chaleur ou de pertes diverses. Un moteur qui fournit davantage de couple à faible vitesse peut répondre plus efficacement à certaines sollicitations. Mais ces indicateurs dépendent de la méthode d’essai, de la température, de la charge appliquée et de la définition du moteur de référence.

Ce que les résultats permettent d’affirmer

Ces mesures suggèrent que la modification de Sansone améliore le comportement du prototype dans les conditions testées. Elles constituent un signal intéressant et donnent une direction pour des travaux ultérieurs. Elles ne démontrent pas que cette conception serait immédiatement supérieure à tous les moteurs électriques commerciaux, lesquels sont optimisés pour fonctionner dans des plages de vitesse et de charge très différentes.

Un moteur de voiture doit notamment fonctionner sur une plage très large. À vitesse élevée, la conception doit limiter les pertes, maîtriser les vibrations et préserver la stabilité mécanique. À faible vitesse, elle doit fournir un couple suffisant sans provoquer d’échauffement excessif. Un constructeur évaluera donc une carte complète de rendement, puis confrontera les résultats aux critères de poids, de coût, de bruit et de durabilité.

Pour rendre une comparaison solide, il faut aussi préciser si les moteurs testés possèdent la même taille, la même masse, les mêmes matériaux et un refroidissement comparable. Un gain obtenu sur un petit prototype ne se transpose pas mécaniquement à une unité de traction plus puissante. Les résultats sont prometteurs dans leur cadre expérimental ; leur portée industrielle dépend de répétitions indépendantes et d’essais réalisés à une échelle supérieure.

La température, limite visible du prototype

Lors des essais poussés, certaines pièces en plastique du prototype ont fini par fondre sous l’effet de la chaleur. Cet épisode illustre concrètement l’écart entre une maquette fonctionnelle et un moteur automobile. Le plastique imprimé en trois dimensions est utile pour tester rapidement une géométrie, mais il ne remplace pas les matériaux métalliques et isolants conçus pour résister aux températures, aux contraintes mécaniques et aux cycles répétés d’un véhicule.

Une voiture électrique peut demander au moteur des accélérations soutenues et des puissances élevées. La gestion thermique doit évacuer la chaleur produite dans les bobinages et les composants électroniques, tout en protégeant les isolants. Si la température grimpe trop, le rendement peut diminuer, les matériaux vieillir plus vite et le système réduire sa puissance pour se protéger.

Les moteurs de traction peuvent atteindre des régimes de rotation très supérieurs aux vitesses de démonstration du prototype. L’écart avec les quelque 16 000 tours par minute cités pour des motorisations automobiles souligne pourquoi l’augmentation d’échelle impose une nouvelle série de validations. La résistance du rotor, l’équilibrage et les pertes à haute vitesse deviennent alors aussi importants que le couple à bas régime.

Une lecture équilibrée des résultats évite deux pièges : présenter le moteur comme une révolution déjà prête à équiper les voitures, ou écarter le projet parce qu’il a été conçu par un lycéen. Les essais constituent un jalon de recherche, pas une homologation. Leur intérêt réside dans les questions qu’ils ouvrent et dans les paramètres que des équipes professionnelles pourront approfondir.

Pourquoi l’industrie automobile cherche des moteurs sans aimants rares

La démarche du jeune inventeur s’inscrit dans un mouvement plus large. Les constructeurs cherchent des motorisations moins dépendantes des aimants permanents, pour des raisons d’approvisionnement, de coût et de stratégie industrielle. Renault et BMW ont notamment développé des moteurs à rotor bobiné, ou EESM, dans lesquels un courant électrique crée le champ magnétique du rotor. Cette solution évite les aimants permanents concernés, mais implique une conception et un contrôle spécifiques.

D’autres pistes sont également explorées. Certains équipementiers travaillent sur des systèmes qui réduisent ou éliminent les terres rares sans contact électrique direct avec le rotor. Tesla a, de son côté, évoqué la volonté de réduire l’usage de ces matériaux dans ses futurs moteurs. Ces démarches ne sont pas identiques au prototype à réluctance de Sansone : elles montrent plutôt que l’industrie compare plusieurs architectures, chacune avec ses compromis techniques.

Diversifier plutôt que chercher une solution unique

La réduction de la dépendance passe rarement par une invention isolée. Un constructeur peut combiner plusieurs familles de moteurs selon les modèles, les marchés et les capacités de production. Une citadine, un utilitaire et un véhicule à hautes performances ne réclament pas nécessairement la même densité de puissance ou le même coût par unité. Diversifier les technologies peut donc réduire le risque qu’un seul matériau ou fournisseur bloque toute une gamme.

Cette logique s’étend désormais au-delà des voitures. Les moteurs électriques sont utilisés dans les drones, les équipements industriels et les solutions de mobilité compacte. L’actualité de Valeo et de ses moteurs destinés aux drones illustre la manière dont les compétences de l’automobile peuvent être réorientées vers d’autres usages. Les exigences diffèrent, mais la maîtrise du rendement, du poids et de la production reste centrale.

Pour la transition énergétique, l’intérêt d’un moteur ne se juge pas uniquement à l’absence d’un matériau donné. Il faut mesurer l’ensemble de son cycle de vie, depuis la fabrication jusqu’au recyclage, puis tenir compte de l’électricité utilisée. Si un moteur sans terres rares consomme davantage en fonctionnement, le bénéfice matériel peut être partiellement contrebalancé. À l’inverse, une architecture efficace et réparable peut renforcer les gains environnementaux.

Du laboratoire à la chaîne de production

La fabrication en série impose des critères que le prototype n’a pas encore à satisfaire : régularité des pièces, contrôle qualité, cadence, sécurité et coût. Les composants doivent être produits avec des tolérances très précises. Les bobinages doivent supporter des milliers de cycles thermiques, et l’assemblage doit rester fiable malgré les vibrations et l’humidité rencontrées au cours de la vie du véhicule.

Il faut aussi former les équipes et adapter les lignes existantes. Une technologie qui demande des matériaux disponibles mais des opérations complexes peut être moins attractive qu’une solution légèrement moins performante, mais facile à produire. Les constructeurs évaluent donc l’ensemble de la chaîne, du fournisseur de tôles électriques jusqu’au logiciel qui pilote le moteur.

Les activités françaises autour des moteurs pour drones offrent un autre exemple de ce lien entre innovation et souveraineté industrielle. Le projet décrit dans la fabrication de moteurs de drones sur un site automobile français met en lumière une préoccupation comparable : sécuriser des compétences et des capacités de production en Europe. Le moteur de Sansone s’inscrit dans cette réflexion, même si son prototype n’est pas directement devenu un produit industriel.

La question n’est donc pas seulement de savoir si un lycéen a trouvé une formule gagnante. Elle est de déterminer comment les industriels peuvent transformer une idée en une architecture fiable, compétitive et reproductible. C’est à cette étape que l’intérêt technologique se mesure en décisions d’investissement et en essais à grande échelle.

En explorant simultanément différentes solutions, les constructeurs se donnent davantage de marge face aux tensions sur les ressources. Le prochain enjeu consiste à identifier les usages où chaque architecture apporte un bénéfice net, sans confondre promesse de laboratoire et maturité commerciale.

Du prototype de lycéen à une technologie automobile industrialisable

La réussite d’un prototype ne se résume pas à faire tourner un rotor. Il faut comprendre pourquoi il fonctionne, répéter les mesures et vérifier que les performances restent stables lorsque les matériaux, les dimensions et les conditions changent. Pour un moteur électrique destiné à un véhicule, cela implique des essais de température, de vibration, de vitesse, de charge et de durée. Le travail de Sansone ouvre une piste ; une équipe de recherche ou un industriel devrait ensuite la traduire en programme de développement.

La trajectoire du jeune inventeur montre aussi le rôle de l’apprentissage expérimental. L’impression 3D permet de créer rapidement des pièces et d’ajuster leur forme sans investir immédiatement dans des outils de production coûteux. Le bobinage manuel et les quinze versions testées témoignent d’une méthode faite d’observation et de corrections successives. À cette échelle, chaque modification devient une occasion de comprendre un phénomène, plutôt qu’une simple étape vers un produit fini.

Les étapes nécessaires avant une application routière

Un premier travail consisterait à remplacer les pièces plastiques sensibles par des matériaux capables de supporter la chaleur et les contraintes mécaniques. Le rotor devrait ensuite être validé à des vitesses plus élevées, avec un équilibrage soigneux. Les ingénieurs examineraient également la qualité du couple, le bruit, les vibrations et le comportement du moteur pendant les accélérations répétées.

La seconde étape porterait sur l’électronique de commande et le refroidissement. Un moteur à réluctance dépend fortement de la manière dont les champs magnétiques sont pilotés. Des algorithmes précis peuvent améliorer les performances, mais ils doivent aussi garantir un fonctionnement prévisible en cas de variation de charge ou de température. Dans une voiture, la sécurité impose que le système reste contrôlable dans des circonstances très diverses.

Enfin, l’industrialisation obligerait à comparer le coût complet avec celui des solutions existantes. L’absence d’aimants à terres rares peut réduire certains risques d’approvisionnement, mais l’économie globale dépend du cuivre, des tôles, des composants électroniques, du temps d’assemblage et des besoins de refroidissement. Une technologie est pertinente lorsqu’elle répond à un besoin automobile tout en restant compétitive sur la durée de vie du véhicule.

• Valider les performances sur plusieurs régimes de vitesse et niveaux de charge, et non sur un seul point favorable.
• Renforcer la tenue thermique des bobinages, des isolants et des pièces du rotor pour supporter les usages répétés.
• Optimiser le pilotage électronique afin de limiter les pertes, les vibrations et les à-coups à bas régime.
• Comparer le coût et l’approvisionnement de tous les composants, pas uniquement l’absence de terres rares.
• Vérifier la fabrication en série avec des pièces reproductibles et des contrôles compatibles avec les cadences automobiles.

Cette liste montre pourquoi une performance de laboratoire ne se transforme pas immédiatement en moteur de série. À chaque étape, il faut maintenir le bénéfice initial tout en résolvant les difficultés apparues avec l’augmentation d’échelle. Un prototype utile est celui qui rend ces obstacles visibles et permet de les traiter méthodiquement.

Une inspiration pour la prochaine génération d’ingénieurs

Le parcours de Sansone ne prouve pas qu’un adolescent puisse, seul, remplacer les équipes de développement d’un constructeur. Il rappelle plutôt que la curiosité scientifique peut conduire à des questions pertinentes, même lorsque les moyens restent limités. L’ingénierie avance souvent grâce à des personnes capables de repérer une faiblesse connue, de proposer une variante et de vérifier concrètement si elle apporte quelque chose.

Ce type de projet peut aussi rapprocher l’enseignement des enjeux industriels. Un élève qui fabrique un moteur découvre rapidement que les équations doivent se confronter aux matériaux, aux tolérances et à la chaleur. Les résultats mesurés prennent alors un sens tangible : une pièce qui fond ou un rotor qui vibre enseigne autant qu’un calcul réussi, à condition que l’expérience soit analysée avec rigueur.

Les pistes associant efficacité énergétique et réduction des matériaux stratégiques intéressent également les petites motorisations. L’exemple de la miniaturisation d’un moteur électrique pour une mobilité plus écologique rappelle que les mêmes questions se posent à des échelles différentes. Réduire la masse, maîtriser la consommation et choisir des composants disponibles sont des objectifs partagés par de nombreux secteurs.

Le travail récompensé au concours scientifique a ainsi une portée à la fois technique et pédagogique. Il encourage l’exploration de solutions moins dépendantes des ressources sensibles, tout en soulignant la nécessité de preuves répétables. Dans une industrie où chaque gramme, chaque degré et chaque point de rendement compte, une idée ne devient décisive qu’après avoir résisté aux essais les plus exigeants.

À la croisée de la curiosité d’un lycéen et des besoins des fabricants, cette innovation rappelle que la transition énergétique se construit par étapes : une question bien posée, un prototype, des mesures vérifiées, puis des adaptations industrielles. Le moteur sans terres rares de Sansone reste une démonstration expérimentale, mais il met en lumière un objectif désormais incontournable pour les constructeurs : concevoir des motorisations performantes avec des chaînes d’approvisionnement plus résilientes.

Qui est Robert Sansone ?

Robert Sansone est un jeune inventeur américain qui a conçu, alors qu’il était lycéen, un prototype de moteur synchrone à réluctance sans aimants à terres rares. Son projet a été présenté au concours scientifique Regeneron ISEF en 2022.

Comment un moteur à réluctance produit-il un mouvement sans aimants permanents ?

Le champ magnétique créé par les bobinages du stator attire le rotor vers les positions qui facilitent le passage du flux magnétique. Cette attraction provoque la rotation sans recourir à des aimants permanents contenant des terres rares.

Les performances du prototype ont-elles été confirmées pour une voiture de série ?

Les gains annoncés concernent des essais réalisés sur un prototype et à des vitesses données. Ils ne démontrent pas, à eux seuls, une supériorité sur toute la plage de fonctionnement d’un moteur automobile ni une disponibilité en production.

Pourquoi l’industrie cherche-t-elle des moteurs sans terres rares ?

Ces architectures peuvent réduire la dépendance à des matériaux dont l’extraction et le raffinage sont concentrés géographiquement. Elles offrent une piste de diversification, à condition de rester efficaces, fiables et compétitives à fabriquer.