Bilan

La supraconductivité rêve de transporter le courant solaire du Sahara

Le phénomène, découvert en 1911, mobilise des centaines de laboratoires dans le monde et en Suisse. Sa technologie reste chère, mais les coûts diminuent, laissant croire à une démocratisation de la supraconductivité.

Oystein Fischer est un homme du froid. Du très froid même. Et ce ne sont pas ses origines nordiques qui lui valent ce qualificatif, mais bien plutôt sa spécialisation. Ce professeur de l’Université de Genève, directeur du pôle national de recherche MaNEP (matériaux aux propriétés électroniques exceptionnelles), trifouille depuis longtemps la matière, la physique des solides comme on dit, en quête notamment de l’un des Graal de la physique: un composé qui montrerait des qualités supraconductrices à température ambiante. «On en est encore loin aujourd’hui, déclare-t-il, et il nous faut continuer à refroidir des matériaux à des températures extrêmement froides avec de l’azote liquide (-196 degrés) ou de l’hélium liquide (-269 degrés) pour pouvoir créer cette extraordinaire absence de résistance électrique qui caractérise certains matériaux.»

Coup de pouce du hasard

Un passe-temps de physicien fondamentaliste? Non point. Si demain l’on découvrait un matériau supraconducteur à température ambiante à un coût de fabrication raisonnable, c’est tout le secteur de l’énergie qui s’en trouverait bouleversé. Finies les pertes lors du transport du courant. Une économie plus que substantielle qui enchanterait ce monde qui, depuis quelques semaines, se demande à quelle sauce énergétique il sera mangé à l’avenir. La supraconductivité en sauveuse du monde? N’exagérons rien. D’autant qu’un léger obstacle se dresse encore sur la voie des physiciens et des ingénieurs. Ceux-ci ne disposent toujours pas d’une théorie unifiée de la supraconductivité. «Nous en avons une qui tient bien, reprend Oystein Fischer, mais pour les supraconducteurs refroidis à la température de l’hélium liquide. En revanche, cela se complique pour la supraconductivité à haute température – sous-entendu celle qui concerne les matériaux de l’azote liquide – laquelle a été découverte en Suisse par Bednorz et Müller, ce qui leur a valu le Prix Nobel en 1987.»

L’aventure de la supraconductivité est jalonnée de Prix Nobel. A commencer par celui de son découvreur, Heike Kammerlingh Onnes. A l’époque, ce physicien d’origine hollandaise travaille dans les laboratoires de l’Université de Leyde où il tente – comme tant d’autres en même temps que lui – de liquéfier l’hélium. Heureux homme, puisqu’il finit par gagner la course. Il ne se doute pas alors que ce n’est que l’entrée. Le plat de résistance est à venir. Nous sommes en 1908.

L’hélium liquide enfin à disposition, Heike Kammerlingh Onnes, qui dispose là d’un nouvel outil extraordinaire, se lance dans une série d’expériences. Le 8 avril 1911, l’un de ses collaborateurs, Gilles Holst, remplit un tube capillaire avec du mercure et constate que lorsque celui-ci atteint la température de l’hélium liquide, sa résistivité cesse d’être mesurable. Les deux hommes croient d’abord à un problème lié aux instruments de mesure. Mais à force de vérifications, il leur faut se rendre à l’évidence. A ces températures proches du zéro absolu, le courant électrique ne connaît plus aucun frottement, aucune opposition, aucun désordre. Les électrons avancent tous dans le même sens, alignés couverts, au pas de l’oie, comme à la parade.

«Nous sommes en présence d’un phénomène quantique, précise le directeur de MaNEP. L’élaboration d’une théorie quantique de ces matériaux complexes s’avère très difficile et c’est sans doute ce qui ajoute à la difficulté d’aboutir à cette théorie générale de la supraconductivité qui inclura celle à haute température. Mais j’ai bon espoir que nous y arrivions finalement dans les prochaines décennies.» En attendant, les chercheurs jouent aux alchimistes. Ils testent des agencements d’atomes en espérant trouver le mélange miraculeux. Ils sont loin de tâtonner. Même sans théorie générale, ils en savent assez pour savoir où chercher.  

Cern L’accélérateur de particules (LHC) utilise des aimants supraconducteurs.

Des matériaux alcooliques

Mais les surprises sont toujours possibles. Comme celle qu’a vécue une équipe japonaise en 2010. Grâce à un incroyable concours de circonstances impliquant les peines de cœur d’un assistant, ces chercheurs s’aperçoivent un jour que l’oxygène semble avoir rendu leur alliage fer-tellure-soufre supraconducteur. Quelque temps plus tard, tout à sa joie d’avoir découvert une nouvelle piste, le chef de l’équipe, lors d’un apéritif, a l’idée de plonger son alliage dans chacun des alcools présents ce soir-là lors de l’agape, non sans les avoir préalablement chauffés à 70 degrés. Vingt-quatre heures de trempage plus tard, les physiciens ont le bonheur de constater que leur mélange métallique adore littéralement les alcools, surtout le vin rouge qui le rend tout particulièrement supraconducteur.

En attendant que l’accidentelle chute d’un nouvel alliage dans une fondue moitié-moitié permette la découverte du Graal de la non-résistance électrique, les supraconducteurs restent confinés, commercialement parlant, à des niches pour le moins étroites. «Etroites peut-être, corrige Oystein Fischer, mais néanmoins essentielles, notamment pour la santé humaine.» Le professeur de physique marque un point. Sans la supraconductivité qui permet de générer des champs magnétiques particulièrement puissants, l’IRM ne permettrait pas aux hôpitaux de bénéficier d’un incroyable dispositif d’imagerie diagnostique. Evidemment, ces dispositifs sont chers et ils s’achètent rarement par pack de six. Néanmoins, selon une étude publiée en 2010, la croissance mondiale du marché de l’IRM serait de 5,5% et devrait à ce rythme atteindre un chiffre d’affaires de 6 milliards de dollars en 2015.

Autre domaine en plein essor, la spectro-scopie à résonance magnétique, un outil très précieux pour ceux qui cherchent à caractériser la structure tridimensionnelle des molécules. Plus les champs magnétiques de ces machines sont puissants, meilleure est leur résolution. D’où l’importance de la supraconduction et de la collaboration entre le leader mondial de ces systèmes BrukerBiospin et le pôle MaNEP.

 

IRM La technique d’imagerie médicale recourt aussi à la supraconductivité pour générer des champs magnétiques.

La supra prend le soleil

Pour le reste des applications, il en est de très particulières, comme les fameux aimants supraconducteurs du nouvel accélérateur de particules du CERN, le LHC. Et il en est de moins exotiques comme celles qui concernent le transport de l’électricité. «Nous travaillons actuellement avec Nexans pour mettre au point un nouveau type de limiteur de courant supraconducteur qui sera installé sur les réseaux espagnol et slovaque.» Bertrand Dutoit, chercheur au laboratoire des systèmes non linéaires de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, ignore si un jour on réussira à trouver le Graal de la supraconductivité. Mais, selon lui, il n’y a pas besoin d’attendre cette échéance pour que les technologies supraconductrices se multiplient dans le champ du transport de courant. «Pour ce projet de limiteur de courant, nous utilisons des supraconducteurs haute température critique de seconde génération, lesquels sont bien moins chers que la première génération qu’il fallait gainer de métaux précieux comme l’argent ou que les supraconducteurs classiques qu’il faut refroidir à l’hélium liquide plutôt qu’à l’azote liquide. C’est un marché en pleine expansion.»

Un marché en pleine expansion, car le fossé des prix entre un conducteur normal et un supraconducteur se réduit lentement mais sûrement. Selon Bertrand Dutoit, quand le premier coûte environ 30 dollars par 1000 ampères par mètre, le second, lui, coûte 80 à 100 dollars (cryogénisation comprise). Ce qui reste encore trois à quatre fois plus cher. «Je ne crois pas que ce soit seulement le prix qui freine l’expansion de la supraconduction, continuent les spécialistes de l’EPFL. Il y a aussi le fait que cette technologie passe encore trop souvent aux yeux des industriels comme quelque chose d’exotique.»

Dans de tels cas, rien ne vaut un bon gros projet très médiatisé qui permet de jouer les avocats. Et il en est question justement. Ces dernières années, les projets fleurissent qui promettent de transformer le désert du Sahara en une immense usine de production d’énergie photovoltaïque. Au bénéfice des pays producteurs évidemment, mais avec l’aide des technologies des pays du Nord qui, en retour, comptent beaucoup sur cette source d’énergie à l’heure où la diversification est plus que jamais en tête de liste des priorités des gouvernements.

Production au Sahara, mais consommation en Europe grâce à des infrastructures électriques qui devraient largement faire appel à des technologies supraconductrices. Pour la simple et bonne raison que le courant produit par le photovoltaïque est volontiers de nature continue et que le transport sur de longues distances, sous-marin notamment, est optimal en continu. Un avantage pour la supraconduction qui ne s’entend pas forcément bien avec le courant alternatif et les champs magnétiques qu’il produit. On peut être un phénomène quantique extraordinaire et avoir ses fragilités.

Pierre-Yves Frei

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