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Pour minimiser la perte d’énergie dans le transport de l’électricité, des supraconducteurs

Pour minimiser la perte d’énergie dans le transport de l’électricité, des supraconducteurs

Les supraconducteurs pourraient faciliter radicalement le transport de l’électricité, en éliminant le phénomène de résistance. Pourtant, ils restent inutilisables d’un point de vue commercial, car ils fonctionnent uniquement à des températures voisines du zéro absolu. À l’EPFL, une équipe de chercheurs ont développé une méthode qui pourrait contribuer à exploiter ce phénomène à des températures plus réalistes.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui ont comme particularité de laisser passer le courant électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène pourrait ouvrir la voie à une plus grande efficacité énergétique – imaginez un ordinateur qui ne surchauffe jamais! Hélas, la majorité des supraconducteurs accroissent la conductivité à des températures voisines du zéro absolu, soit 0 °K ou -273,15 °C. Mais certains d’entre peuvent néanmoins fonctionner à des températures plus élevées, autour de -135 °C. Reste à comprendre comment fonctionnent ces supraconducteurs, dits «à haute température». Fabrizio Carbone et son équipe du Laboratoire pour la microscopie et la diffusion d’électrons de l’EPFL décrivent dans une méthode qui permet d’éclairer les recherches dans le domaine prometteur de la supraconductivité à haute température.

Lorsque l’électricité traverse un conducteur, par exemple un câble, il en résulte une perte d’énergie, due à la résistance. Ceci n’est pas toujours une mauvaise chose puisqu’elle peut alors être utilisée comme source de chaleur (un radiateur) ou pour éclairer (une ampoule). Mais lorsqu’il s’agit de réseaux énergétiques nationaux et de câbles à haute tension, la résistance électrique engendre des pertes pouvant atteindre près de 7%. Une perte d’argent, et une cause majeure d’usure des réseaux.

C’est là que pourraient intervenir les supraconducteurs. Ces matériaux, lorsqu’ils descendent suffisamment en température, conduisent l’électricité sans résistance – donc sans perte d’énergie.

Comment ? Lorsque la température de fonctionnement des supraconducteurs atteint un certain degré de refroidissement, leurs atomes se rejoignent et «poussent» les électrons pour former de nouvelles particules, les paires d’électrons de Cooper. Ceux-ci sont régis par les principes de la physique quantique et forment un état de la matière peu commun (un Condensat Bose-Einstein) qui n’est pas affecté par la résistance électrique.

Les supraconducteurs pourraient révolutionner notre façon d’utiliser et de distribuer l’énergie en réduisant totalement les pertes. Ils peuvent également changer nos modes de transports – par exemple, les trains à lévitation magnétique au Japon reposent sur ce principe. Alors, pourquoi ne sont-ils pas encore au point? Parce que la plupart des supraconducteurs ne fonctionnent que lorsque leur température est refroidie et qu’ils s’approchent de l’inaccessible zéro absolu. Certains supraconducteurs, qui fonctionnent à des températures plus élevées, pourraient représenter la solution.

Les supraconducteurs à haute température (SHT) fonctionnent aux alentours des -135 °C. Ces températures, certes basses, offrent néanmoins des possibilités plus intéressantes et moins coûteuses que les supraconducteurs conventionnels. Cependant, les progrès du SHT sont limités par un manque de connaissances théoriques. Par exemple, nous savons que les paires d’électrons de Cooper entrent également en jeu dans la supraconductivité à haute température, mais il n’existe pas de consensus sur la manière dont elles se forment.

Pour la première fois, Fabrizio Carbone et son équipe ont pu observer en temps réel, dans un supraconducteur SHT, la formation des paires de Cooper. Ils ont ainsi pu déterminer comment le processus affecte les propriétés optiques du supraconducteur. Pour y parvenir, les scientifiques ont refroidi un SHT jusqu’à sa température supraconductrice. Ils ont ensuite envoyé des impulsions laser de façon répétée pour briser les paires d’électrons Cooper afin qu’elles redeviennent des électrons uniques. Durant la phase de séparation et de reformation de ces paires, celles-ci ont produit un changement périodique dans le spectre chromatique du supraconducteur. En mesurant le changement de couleur, les chercheurs ont pu directement étudier ce qui se passe. Ils ont découvert que, dans les supraconducteurs à haute température, la formation des paires de Cooper différait totalement de celles que l’on observe dans les supraconducteurs conventionnels.

Les résultats de Fabrizio Carbone représentent la première observation directe de la formation des paires d’électrons de Cooper dans la supraconductivité à haute température. Ils fournissent aussi aux chercheurs des outils précieux pour observer ce phénomène en temps réel. Etendue à des matériaux différents, cette nouvelle approche pourrait même permettre une compréhension encore plus fine du fonctionnement de ce type de supraconductivité.

 

La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc). Ils s’opposent également à tout champ magnétique externe.

Ce phénomène est aujourd’hui un enjeu international de première importance. De nombreux laboratoires sont en compétition à travers le monde pour découvrir des matériaux supraconducteurs à température ambiante. Depuis 10 ans, le phénomène n’est plus confiné aux températures très basses et l’on manque d’une théorie expliquant ces nouvelles performances.

Tout commença en 1911 par une découverte fortuite. Gilles HOLST, un élève du laboratoire du physicien Hollandais Kamerlingh ONNES, travaillant sur l’étude de la résistivité du mercure à la température de liquéfaction de l’hélium, découvrit qu’elle s’annulait en dessous de 4,15 K.

Ce même laboratoire accumulait les succès : trois années auparavant, on y avait réussi la première liquéfaction de l’hélium, atteignant alors la plus basse des températures connues : 4,2 K , c.-à-d. – 269 °C.

On étudia tous les corps simples, et notamment les métaux qui se présentaient comme les meilleurs candidats supraconducteurs. Malheureusement, on s’aperçut que tous n’étaient pas supraconducteurs ; plus étonnant encore, les meilleurs métaux (cuivre, or, argent) ne présentaient aucune trace de supraconductivité !

Rapidement, une liste des éléments susceptibles d’être supraconducteurs fut établie.

Le niobium possédant la plus haute température critique (Tc = 9,2 K), on chercha à obtenir des alliages à base de niobium.

Aussi, parmi les composants « classiques » aux plus hautes températures, on trouve souvent des alliages contenant cet élément. Le nitrure de niobium (NbN) avec 17,3 K et le composé intermétallique Nb3Ge avec 23,3 K (il détint le record jusqu’en 1986) en sont de très bons exemples.

En avril 1986, le record était battu. En effet, deux chercheurs d’IBM à Zurich, Johannes BEDNORZ et Alex MÜLLER, finirent par découvrir un nouveau composé à base de baryum, lanthane, cuivre et oxygène (que l’on notera Ba-La-Cu-O), un oxyde, qui devenait supraconducteur en dessous de 34 K ! Mais ce n’était qu’un début : 9 mois après, un composé à base de Y-Ba-Cu-O avec 92 K, puis en 1988 un autre à base de Tl-Sr-Ca-Cu-O avec quelque 125 K furent découverts. Le monde scientifique exultait ! La barrière de la température de liquéfaction de l’azote (77 K, -196 °C) était largement dépassée. Une nouvelle vague de recherche frénétique s’emparait du monde scientifique. Tous les espoirs de voir un supraconducteur à température ambiante se réveillaient : les oxydes supraconducteurs se révélaient de très bons candidats avec de hautes températures critiques.

Mais de nouveaux problèmes se présentaient. Dans la forme céramique la plus facile à préparer, ces oxydes supraconducteurs à « haute » température voyaient leurs capacités supraconductrices bridées par un courant critique Ic décevant. Le gain en température ne se traduisait pas vraiment par un gain en performances…

Aujourd’hui, la « course aux températures critiques » s’essouffle quelque peu au profit d’un souci de compréhension des phénomènes physiques au niveau atomique. Le record de température critique atteint aujourd’hui 164 K (-109°C) avec des composés au mercure sous hautes pressions ; un facteur 7 a été gagné en 10 ans et on ne désespère pas d’obtenir des supraconducteurs à la température ambiante.

Le diamagnétisme d’un supraconducteur peut être mis en évidence par une expérience spectaculaire.

Si un petit aimant est placé au-dessus d’un supraconducteur, on observe qu’il est en « lévitation » au-dessus du supraconducteur. L’intense diamagnétisme du supraconducteur repousse l’aimant, lui permettant ainsi de rester en suspension dans l’air.

Les conducteurs classiques, le cuivre par exemple, couramment utilisés aujourd’hui remplissent parfaitement leurs fonctions. Mais ils s’échauffent (pertes par effet Joule), et ce phénomène de pertes est incontournable.

Cet échauffement peut même dans certains cas causer la perte pure et simple du conducteur, c’est le « fusible ». De plus, les circuits magnétiques classiques ont deux principales limitations : l’induction magnétique créée est limitée (2 teslas), et leurs poids et encombrements sont plutôt contraignants.

Une autre grandeur importante se trouve aussi limitée dans les machines électriques classiques : le couple, lequel est directement lié à la densité linéique de courant. Or cette dernière se trouve fortement limitée par les pertes par effet Joule. On voit tout de suite l’intérêt des machines supraconductrices et les enjeux qu’elles représentent.

Bien que l’industrie électrique ne soit pas prête à adopter cette nouvelle technologie des supraconducteurs qui constitue pour elle un grand changement, il existe déjà plusieurs applications de la supraconductivité.

La supraconductivité se retrouve dans plusieurs domaines, entre autres dans de nombreux domaines de recherche, en fusion nucléaire par exemple, en imagerie médicale par résonance magnétique, dans le stockage d’énergie électrique (les anneaux de stockage), dans les transports (trains à lévitation magnétique mais aussi propulsion magnétohydrodynamique).

Ces applications constituent des applications à grande échelle, car on entre dans le domaine industriel, avec toutes les conséquences économiques que cela implique.

La supraconductivité a encore de beaux jours devant-elle, tant l’intérêt des chercheurs pour ce type de matériau ne cesse de croître. Aucune théorie satisfaisante n’existe à l’heure actuelle et les matériaux céramiques nous réservent encore de nombreuses surprises.

Ainsi la découverte récente de propriétés supraconductrices dans un matériau de formulation simple, MgB2, dont les caractéristiques physiques et chimiques constituent un nouveau défi dans la compréhension de ce phénomène très étrange mais combien envoûtant, relance l’intérêt des chercheurs et des industriels.

supraconducteur

 

Illustration de l’effet Meissner

– à gauche : le supraconducteur est à une température supérieure à sa température critique

– à droite : le supraconducteur est à une température inférieure à sa température critique

– en rouge ; les lignes de champs de l’aimant, le supraconducteur est la pastille noire sous l’aimant

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