ENGINEERINGNET.BE - « Il y a des problèmes partout et nous pouvons les résoudre. Maintenant que la demande explose, nous allons recruter des profils techniques », déclare Christophe Servais (37), cofondateur, CTO et inventeur de la ‘butterfly cage’.
Christophe Servais n’est présent ni sur LinkedIn ni sur les réseaux sociaux. Il est donc surpris que nous ayons réussi à le trouver. D’autant plus que ce n’est pas lui, mais son associé Sébastien Assouad, CEO, qui est le visage de l’entreprise.
« Déjà à l’université, je devais filtrer les informations liées à mes recherches. Il fallait protéger l’IP. Plus tard, APO-GEE a déposé un brevet sans divulguer trop de connaissances. Nous avons été bien encadrés. » Christophe Servais et Sébastien Assouad sont actuellement les seuls employés de la startup. Ils travaillent à l’espace de coworking d’IGNITY (anciennement WSL) au parc scientifique de Seraing, avec deux stagiaires. Deux nouveaux collaborateurs les rejoindront bientôt.
Esprit mathématique
« J’ai la chance d’avoir un esprit abstrait et mathématique », explique Christophe Servais, qui a grandi à Esneux, à dix minutes de là. Âgé d’à peine 4 ou 5 ans, il savait déjà ce qu’il voulait devenir : ingénieur. Son père lui offrait des bandes dessinées de Spirou et Fantasio. « Je ne savais pas lire mais j’étais fasciné par les inventions du comte de Champignac. » Dès qu’il a su lire, on lui a présenté Jules Verne. Le capitaine Nemo était son héros, mais aussi Jacques-Yves Cousteau, le biologiste marin. Plus tard, il découvre les auteurs de science-fiction George Orwell, Arthur C.Clarke, Ray Bradbury, Philip K. Dick,… « J’étais lancé sur cette voie. Ce serait ingénieur ou rien. Je n’avais pas de plan B. »
Il étudie l’ingénierie mécanique à l’Université de Liège. Ce n’est qu’au cours de sa dernière année, en 2010, qu’il tombe un peu par hasard sur ce qui allait devenir sa passion. Il ne trouvait rien qui lui convenait dans la liste des sujets pour sa thèse. Mais sur le coin du bureau du professeur, il y avait une note. « Plusieurs entreprises aérospatiales lui avaient soumis un problème : l’instabilité des cages de roulements à billes avait fait échouer plusieurs missions spatiales. J’y ai vu un défi à relever. »
Lorsqu’il récupère la première documentation, Christophe Servais sursaute. « La NASA connaissait le problème depuis les années ’60 et n’avait toujours pas trouvé de solution. Si l’organisation n’y parvenait pas, comment le pourrais-je ? » Il travaille plus d’un an sur sa thèse. « J’ai tracé une voie, un modèle pour trouver un début de réponse à la nature du problème. » Il poursuit ses travaux avec un doctorat.
Turbopompes de moteurs-fusées
En 2012, Christophe Servais assiste à une conférence de l’ESA où sont exposés les problèmes fondamentaux de l’aérospatiale. Le premier point abordé est l’instabilité des cages. « C’est à ce moment-là que j’ai vraiment pris conscience de la gravité de la situation. » Les roulements à billes des turbopompes de moteurs-fusées sont des composants essentiels. Ces pompes transportent le carburant cryogénique, tournent très vite et sans lubrifiant. Leur durée de vie est limitée à quelques minutes mais elles doivent tenir. Christophe Servais étudie les données expérimentales des roulements à billes Ariane : température, charge, accélérations, … « J’ai pu confronter mes connaissances à la réalité. »
Il en vient à la conclusion que la cage du roulement à billes ne peut pas être caractérisée. Il cite Léonard de Vinci qui, fin du 15e siècle, avait décrit un roulement à billes pour son projet d’hélicoptère. « Il reconnaîtrait les roulements à billes actuels. » Mais qui a réellement étudié comme un roulement à billes se comporte et la manière dont une bille évolue dans une cage ? L’évolution des billes sphériques à haute vitesse n’avait pas encore été décrite.
« De la cage, je suis donc passé au roulement des billes sphériques. C’est très complexe. À haute vitesse, elles se déplacent un peu comme une boule de bowling. Il y a un mouvement de roulement, de glissement et de pivotement. Tous ces éléments contribuent au ‘spinning’ ou rotation, mais le terme est ambigu. » Christophe comprend rapidement que la cinématique, c’est-à-dire la manière dont les billes roulent, est inefficiente et la cause de la plupart des problèmes des roulements à billes. « On ne pouvait pas utiliser les forces de Newton classiques pour mieux comprendre. Il fallait trouver autre chose. J’ai développé une technique. » En 2015, il défend sa thèse, centrée sur les billes sphériques.
Ses résultats de recherche intéressent l’ESA
« En 2018, nous avons lancé un projet dans le cadre du GSTP (General Support Technology Programme) de l’ESA, financé par Belspo. » Le projet consistait à étudier l’instabilité des cages et à développer un modèle capable de synthétiser les résultats expérimentaux. Christophe Servais développe un modèle numérique à l’Université pour évaluer les roulements à billes.
Il a poursuivi ses travaux sur les cages en se concentrant sur les satellites. Le problème d’instabilité y est aussi critique que dans les turbopompes cryogéniques des moteurs-fusées. Les roulements à billes utilisés dans les roues de réaction et les gyroscopes durent plus longtemps, « mais le phénomène est globalement le même. » Il cite un exemple : en 2009, des microvibrations inattendues ont été détectées dans les sondes Rosetta et Cassini, qui provenaient des roues de réaction. Les vibrations de la cage empêchaient le satellite de s’orienter correctement.
Une spin-off, sans la participation de l’Université
« Je n’aspirais pas à une carrière universitaire. Je voulais poursuivre mes travaux, quelle que soit la forme que cela prendrait. » Début 2022, il fonde son entreprise APO-GEE Engineering. « Une spin-off, mais sans la participation de l’Université », précise Christophe Servais. « En collaboration avec RISE et GESVAL, les services de transfert de technologie de l’Université, APO-GEE conclut un accord sur l’IP. « Pendant le Covid, cela n’a pas été facile. Il rencontre Sébastien Assouad. « Je me suis rendu compte que je n’avais pas le profil pour diriger une entreprise. Je n’ai jamais eu personne sous mes ordres. Je n’étais pas un manager. Sébastien comble ces lacunes. »
Focus sur les applications spatiales
Dans le cadre d’un premier contrat avec l’ESA, il fournit des services d’ingénierie. D’autres collaborations suivront avec des contractants principaux. Christophe Servais a entretemps développé ses propres instruments capables de diagnostiquer la dynamique des billes et des cages dans des conditions difficiles. C’est ainsi qu’est né le logiciel ROSE (rolling element bearing and separator dynamics) en 2023. L’année dernière, APO-GEE a été sélectionné pour un projet de Phase 1 dans le cadre de l’appel à projets ouvert de l’ESA Spark Funding. APO-GEE a notamment résolu le problème d’instabilité de la cage du gyroscope de Veoware (voir EN172).
Début 2024, Christophe Servais a déposé un brevet pour sa ‘butterfly cage’ conçue pour prévenir toute instabilité en toutes circonstances. Il nous présente une version plus grande, fabriquée à partir d’un composite de résine phénolique et de fibres de coton. Son avantage : même en cas d’évaporation des lubrifiants au fil du temps, la cage papillon continue de fonctionner. « La cage peut être fabriquée avec divers matériaux. » Elle s’use lorsqu’une ou plusieurs billes sont défectueuses ou soumises à une charge élevée. « Les billes atteignent alors des vitesses différentes, ce qui entraîne la destruction de la cage. Si on parvient à aligner la vitesse des billes, alors il n’y a pas d’usure. »
APO-GEE propose l’engineering as-a-service mais vend aussi la cage papillon. « Nous avons développé notre propre concept de roulement à billes pour des vitesses plus élevées, avec moins de vibrations et une accumulation de chaleur réduite. » Dans ce ‘cobweb bearing’ – le nom fait référence à un graphique en toile d’araignée représentant divers paramètres– la vitesse de la bille dans sa trajectoire est plus homogène. « Idéalement, toutes les billes doivent avoir la même vitesse. »
« Nous pouvons mesurer la cinématique et la vitesse de chaque bille dans la cage. Grâce à notre compréhension du phénomène physique, nous avons conçu une géométrie adaptée à leurs trajectoires. Nous appliquons toujours la même approche : partir du phénomène physique pour proposer une solution. » Le défi : les mathématiques seules ne suffisent pas à prédire le comportement d’un roulement à rouleaux. Christophe Servais a donc mis au point une autre méthode.
Le paradoxe de l’innovation
« Je disposais d’informations datant des années ’60 sur le comportement des cages dans l’espace : symptômes, analyses, … Je connais moins bien les problèmes rencontrés dans l’industrie mais les phénomènes liés aux cages sont universels. Dans l’industrie, on peut même rencontrer des problèmes avec des billes sortant de la boîte. » Son collègue Sébastien Assouad explore désormais de nombreux marchés: les pompes, les stabilisateurs pour bateaux, le secteur médical, ou encore l’automobile (le calibrage des turbos, par exemple).
« Nous sommes sur le point de connaître une croissance exponentielle », affirme Christophe Servais. « Notre premier grand défi a été la crédibilité. Nous arrivions de nulle part avec une solution disruptive et nous nous heurtions à des portes closes. » C’est là tout le ‘paradoxe de l’innovation’ : il faut innover, mais une fois l’innovation aboutie, il faut surmonter de nombreux obstacles (incrédulité, réticence au changement, etc.). « De temps en temps, on nous a donné une chance de faire nos preuves. La surprise est grande quand la machine cesse soudainement de faire du bruit. Nous y parvenons toujours. »
« Maintenant que la demande explose, nous attirons des profils techniques. Nous trouvons partout des problèmes que nous pouvons résoudre. Nous sommes à la croisée des chemins et il faut choisir un modèle commercial : faire produire la cage ailleurs, concéder une licence de production ou la fabriquer nous-mêmes. » Il admet toutefois ne pas être un fabricant. « Nous inventons des produits. » Quelle direction prendra-t-il finalement ? « Nous restons attachés à l’aérospatiale mais nous découvrons chaque jour de nouveaux marchés potentiels, des applications inattendues et des volumes. Il y a un an et demi, tout cela n’existait pas encore. Les choses évoluent très vite. Il faut faire un choix … »
Courir, vélo et douche
Christophe Servais a joué au basket pendant 20 ans. Aujourd’hui, il fait son jogging dans les bois. Le vendredi, il lui arrive de faire une partie de bowling. « Mes meilleures idées me sont venues en courant ou en faisant du vélo. J’aime le sport. C’est un procédé magique. Je peux être bloqué et, comme par enchantement, l’idée géniale surgit »,raconte-t-il. « L’idée de la toile d’araignée m’est venue en courant. Je me souviens exactement où. Celle de la cage papillon m’est venue sous la douche. Plein de savon, je me suis précipité dans la pièce voisine pour la noter rapidement. » C’est ainsi qu’il travaille, jour après jour, sans relâche. « Je n’ai jamais fait de distinction entre ma vie privée et mon travail. Ni pendant mes études, ni lorsque j’ai commencé à travailler. Sans cela, je ne pense pas que j’aurais pu identifier et caractériser ces phénomènes physiques. »
Difficile d’expliquer comment toute cette réflexion a débouché soudainement sur une percée. « On accumule beaucoup d’expérience et puis tout se met en place d’un coup », poursuit Christophe. Il évoque l’image d’innombrables estampes flottant dans l’espace, qui finissent par s’assembler pour révéler la solution.
« La première année a été très complexe, mais aujourd’hui ça fonctionne », ajoute-t-il. Les partenaires ont commencé modestement. L’entreprise compte deux investisseurs : W.IN.G, fonds deeptech wallon de Wallonie-Entreprendre, et NOSHAQ. Les montants restent confidentiels. « Je travaille sur ce projet depuis plus de dix ans, avec des hauts et des bas. Au début, il y avait une angoisse diffuse, mais lorsqu’on parvient enfin à lever un coin du voile, l’émotion est incroyable. Il y a quelque temps encore, nous redoutions les essais et le risque d’échec. Cette crainte à disparu. Nous sommes capables de répondre rapidement à une demande. Où cela nous mènera-t-il ? Tout dépendra du modèle commercial que nous choisirons. »
Aujourd’hui, sa priorité est de diffuser la technologie – la cage papillon et la toile d’araignée – et d’asseoir sa crédibilité.
La cage papillon
Le nom ‘butterfly cage’ fait référence à la théorie du chaos et à l’impossibilité pour les mathématiques de prédire certains résultats dans le futur. « Dans le cas de la cage, on ne peut prédire que quelques millisecondes. » Les vibrations peuvent s’intensifier rapidement. Christophe Servais a choisi ce nom en référence à ‘l’effet papillon’ du météorologue américain Edward Lorenz, qui a démontré l’impossibilité de prévoir le temps longtemps à l’avance. De faibles variations dans les conditions initiales peuvent conduire à des résultats différents. L’une de ses présentations à l’AAAS était intitulée : “Predictability: Does the Flap of a Butterfly’s Wings in Brazil Set Off a Tornado in Texas?” Christophe Servais cite Bohr: “Il est difficile de prédire, surtout l’avenir.”
