Archives mensuelles : mai 2009

Wolfram : un moteur de calcul de connaissances !

Un nouveau site vient de voir le jour sur la toile : Wolfram
Alpha
. A priori, rien d’exceptionnel, mais le principe et l’efficacité de ce « moteur » m’a plutôt impressionné… Evidement, il n’a pas réponse à tout, mais quand même… Quand on tape « Dieu » (God anglais) on apprend que « god » est le 486ème mot le plus cité en anglais à l’écrit et le 273ème mot le plus cité à l’oral (un mot sur 3300) mais Wolfram ne nous dit pas qui il est et s’il existe…

Je me suis retrouvé un peu bête la première fois devant la barre de recherche, je ne savais pas quoi taper alors j’ai essayé simplement « helium » et le site m’a donné sa place dans le tableau périodique des éléments avec toutes les propriétés atomiques, chimiques, thermodynamiques et magnétiques de l’hélium avec ses isotopes de manière joliment présentée avec toutes les unités configurables, plutôt pas mal, mais bon, rien d’extraordinaire non plus (j’aurais été impressionné qu’il me donne la variation de chaleur spécifique en fonction de la température). J’ai également tenté « helium phase diagram » et il m’a fourni un beau diagramme de phase de l’hélium (nettement mieux que ceux qu’on trouve habituellement sur le web).

 

Le site se définit comme un moteur de calcul des connaissances (computational knowledge engine). En gros, c’est un peu une sorte de moteur de recherche comme Google mais Wolfram permet de calculer tout ce qui peut être calculé à propos de n’importe quoi, c’est le site qui le dit : make it possible to compute whatever can be computed about anything. Désolé, le site est uniquement en anglais pour l’instant.

Wolfram fournit un résultat unique comme une encyclopédie, contrairement à un moteur de recherche classique qui fournit une quantité impressionnante de sources où l’on peut souvent se perdre. L’idée est de faire une requête sur une question, quelle qu’elle soit et d’y répondre le mieux possible. Les questions peuvent être évidemment scientifiques mais pas seulement, Wolfram répond aussi à des questions de géographie, de musique, de sport, d’histoire, etc. Bref, c’est un peu comme un super Quid. La réponse est ensuite téléchargeable en format pdf.

Etant proche de la Suisse et aimant le gruyère, j’ai donc tenté de connaitre la densité du gruyère suisse, j’ai donc tapé « cheese gruyère density » et Wolfram m’a répondu sans ciller 0,92 g/cm3:

L’algorithme utilisé par Wolfram utilise pas moins de 5 millions de lignes de codes écrites en langage Mathematica pour ceux qui connaissent, sans commentaires…. Le tout est relié à une base de données qui contient (selon le site) environ 10 milliards d’entrées et plus de 50 000 types d’algorithmes et de modèles. J’ai également tenté de taper la ville où j’habite (Gex) et j’ai eu ma réponse :

Il y a également, toutes les possibilités de calcul de manière formelle comme dans Mathematica. J’ai tapé « cos(2x) + sin(x) + tan(x)^2 » et Wolfram m’a répondu pleins de choses, entre autres :

En revanche, des déceptions, je n’ai rien trouvé en tapant : superfluid helium, Euler flow et Théodulf (évêque d’Orléans pendant la Renaissance carolingienne).

 A vous de jouer maintenant en vous amusant un peu avec ce nouvel outil du web: http://www39.wolframalpha.com/

Le satellite Planck



Avant-hier à 15h12, heure française, la fusée Ariane 5 a décollée
avec succès pour la 44ième fois depuis Kourou en Guyane. Cette mission n’est pas anodine puisque Ariane 5 transportait 2 bijoux technologiques dédiés à la Science dans son « petit » chapeau : les satellites européens Planck et Herschel.

Planck et Herschel sont 2 télescopes spatiaux mais ils sont très différents l’un de l’autre. Herschel est un télescope relativement classique permettant l’observation dans l’infrarouge moyen et lointain à l’aide d’un miroir de 3,5 m de diamètre alors que Planck permet l’observation du rayonnement fossile micro-onde à l’aide de bolomètres ultrasensibles fonctionnant à très basses températures.

Ce billet est spécialement consacré au satellite Planck qui est un peu spécial. Planck doit d’abord atteindre un point particulier de l’espace (le point de Lagrange L2 qu’il atteindra dans 3 mois) pour pouvoir commencer à fonctionner pendant un peu moins de 2 ans.

Planck : comme Max

Le nom de ce satellite vient du physicien allemand Max Planck,  un des pères de la physique quantique, mais quel est le rapport ? Ce satellite a pour ambition de déterminer avec une extrême précision ce que les astrophysiciens appellent le rayonnement de fond cosmologique. Ce rayonnement est une application parfaite de ce qu’on appelle le rayonnement du corps noir, problème justement résolu par Max Planck à la fin du 19ième siècle et qui permettra à Planck d’élaborer en 1900 à la théorie des quanta qui deviendra plus tard la fameuse physique quantique. L’étude du rayonnement électromagnétique d’un corps
noir permet de calculer la température d’un objet à partir de l’analyse de son spectre, voir le billet Comment mesurer la température d’une étoile qui explique en détail tout ceci.

Le fond diffus cosmologique

On l’appelle aussi le rayonnement de fond cosmologique, le bruit de fond cosmologique ou plus simplement le rayonnement fossile, car il constitue le plus vieux fossile de notre Univers. D’après la théorie du Big-Bang, la première « lumière » a été émise par l’Univers 380 000 ans après sa création il y a 13 milliards d’années quand ce dernier c’était suffisamment refroidi à cause de son expansion (l’Univers s’était alors refroidi à 3000°C). A cet instant, les photons ont enfin pu se libérer pour aller vaquer à leur occupation favorite : se balader librement (on appelle cela rayonner en physique) créant ainsi de la
lumière qui inondât l’Univers tout entier !


Ce rayonnement fossile primordial a été pensé théoriquement dans les années 40 et il a été détecté pour la première fois par le plus grand des hasards par 2 ingénieurs américains des laboratoires Bell en 1965 alors qu’ils travaillaient sur des antennes. Ils avaient détecté un « bruit de fond» qui perturbait leurs antennes dans toutes les directions du ciel. Ce bruit de fond constant présent dans toutes les directions autour des 160 GHz (micro-ondes) s’avéra être le fameux fond diffus cosmologique qui avait été prédit théoriquement mais qui demeurerait introuvable. Ce fut une énorme avancée pour la théorie du Big-Bang. Désormais ce rayonnement possède une température de 2,726 K comme l’Univers n’a pas cessé son expansion et donc son refroidissement.

Planck le cartographe



Un des objectifs scientifiques du satellite Planck est d’élaborer la « cartographie » la plus précise possible de ce rayonnement fossile qui possède d’infimes fluctuations. Deux missions américaines de la NASA ont déjà établi une cartographie relativement fine (COBE lancé en 1989 puis WMAP lancé en 2001) mais on cherche à quantifier encore plus précisément ces fluctuations qui ont certainement été à l’origine des futures grandes structures de notre Univers (Galaxies, amas, superamas….). Toute la cosmologie moderne se base essentiellement sur les fluctuations de ce rayonnement, d’où
l’importance capitale de cette mission.

Des Bolomètres à ultra basse température

Pour détecter un rayonnement, on utilise un détecteur appelé « bolomètre » qui permet de mesurer précisément une quantité d’énergie électromagnétique reçue en convertissant l’énergie du rayonnement en chaleur. Au final on mesure la température du bolomètre de manière à déduire la quantité de chaleur issue du rayonnement. On comprend alors aisément que plus le bolomètre est chaud, et plus une petite variation de chaleur sera difficile à détecter. Conclusion :
plus le bolomètre est froid, plus il est précis !

Planck est équipé de 54 bolomètres permettant de mesurer les rayonnements à différentes fréquences constituant le spectre du fond diffus cosmologique. Pour obtenir la précision requise par la mission, les bolomètres seront refroidis à d’ultra-basses températures, entre 90 mK et 130 mK (soit environ un
centième de degré au dessus du zéro absolu, -273,15°C). La résolution ainsi obtenue sera 600 fois meilleure que la première mission américaine COBE.

Le réfrigérateur à dilution

Pour refroidir ces bolomètres, le satellite Planck embarque à son bord un réfrigérateur à dilution. Ce type de réfrigérateur fonctionne avec un mélange de 2 isotopes stables de l’hélium (3He et 4He). Les frigos à dilution commencent à une température de 4,2 K (avec de l’hélium liquide classique) pour fournir une puissance de réfrigération continue jusqu’à 2 millikelvins sans aucune partie mobile ! En général ils fonctionnent plutôt aux alentours des 100 mK.

En gros, le fait de « diluer » de l’hélium-3 liquide (très rare sur Terre) dans de l’hélium-4 liquide (l’hélium classique) permet de faire du froid. Ces 2 fluides cryogéniques sont assez particuliers car ils possèdent des points de liquéfaction très bas (4,2 K pour 4He et 3,2 K pour 3He à  pression atmosphérique). En dessous de 0,9 K 3He et 4He se séparent spontanément en 2 phases (1 phase riche en 3He et une phase pauvre en 4He) et quand l’hélium-3 « traverse » cette
phase diluée pour ensuite s’évaporer, il y a création de froid (je ne rentrerai pas dans les détails ici), voir figure ci-dessous qui représente ce qu’on appelle la chambre de mélange qui se trouve en bas du réfrigérateur :



La dilution spatiale

Le principe de la dilution utilise la gravité pour séparer les mélanges, ce qui n’est pas possible dans un satellite! Un nouveau type de réfrigérateur à dilution pouvant fonctionner dans l’espace a donc été développé à Grenoble, le pôle de la cryogénie française. Le démonstrateur de la dilution a été construit à l’institut Néel (CNRS) à Grenoble par Alain Benoît, son équipe et les services techniques de son laboratoire. J’ai d’ailleurs eu la chance de voir un prototype de ce réfrigérateur à Grenoble il y a environ 2 ans alors que j’assistais à des cours de cryogénie. Le mélange 3He/4He circule dans des tubes de très petites dimensions qui rendent le système insensible à la gravité. Le réfrigérateur à dilution a ensuite été construit par la société française Air Liquide à Sassenage, à proximité de Grenoble. En revanche, le réfrigérateur de Planck fonctionne en boucle ouverte: le mélange est ensuite rejeté dans l’espace et la durée de vie du système dépend alors de la quantité d’hélium qui est embarquée au décollage (environ 2 ans de vie dans le cas de Planck). On souhaite une grande réeussite à cette mission européenne!

Du Frigo à la Cryo


Un de mes collègues et amis (Alexandre) m’a fait la remarque que je n’avais jamais parlé de la réfrigération et de la cryogénie dans mon blog alors que je travaille sur ce sujet depuis presque 3 ans… Voici chose réparée dans ce billet écrit pour l’occasion à 4 mains avec Alexandre !

Pour refroidir vos aliments dans votre réfrigérateur à 5°C ou pour refroidir un accélérateur de particules de 27 km de circonférence à -271°C, il n’y a qu’un pas ! Les principes de bases restent les mêmes mais les techniques et les fluides sont différents. Je vais donc essayer de vous présenter le principe général de la réfrigération et ses applications.

Un peu de sémantique et d’histoire

Avant toute chose, je rappelle que l’appareil permettant de « faire du froid » s’appelle un réfrigérateur et non un Frigidaire, souvent appelé « frigo », qui est une marque commerciale de réfrigérateurs déposée par le groupe General Motors en 1918 et qui appartient désormais au groupe Electrolux. En cuisine, un réfrigérateur permet de conserver des aliments autour des 5°C alors que le congélateur permet de congeler des aliments à -18°C.

On parle généralement de réfrigération pour refroidir à des températures comprises entre la température ambiante et -150°C. En dessous de cette limite, on parle alors de cryogénie car en dessous de cette température les gaz contenus dans l’air commencent à se liquéfier.

On attribue souvent la paternité du réfrigérateur à l’ingénieur allemand Carl Von Linde qui a inventé un réfrigérateur en 1876. Il est le fondateur de la célèbre compagnie Linde AG qui a fournit certains réfrigérateurs cryogéniques à hélium au CERN pour le refroidissement de l’accélérateur de particule LHC. Ci dessous, photo du transport d’une partie d’un réfrigérateur Linde pour le
LHC :


Principe général du réfrigérateur

La réfrigération consiste à abaisser la température d’un objet que l’on souhaite refroidir. Cet objet peut être une banane ou un yaourt dans un réfrigérateur de cuisine pour conserver un aliment plus longtemps ou bien un aimant supraconducteur dans le cadre d’un accélérateur de particules pour maintenir la
supraconductivité.

Le principe général d’un réfrigérateur est d’extraire de la chaleur à basse température (dans l’enceinte du réfrigérateur) pour la rejeter à haute température (à l’extérieur). Plus simplement, « faire du froid » consiste en fait à « retirer du chaud ». C’est pour cette raison qu’un réfrigérateur n’est rien d’autre qu’une pompe à chaleur, ce qui signifie que pour faire du froid quelque part il faut faire du chaud ailleurs !


Cette chaleur doit donc être transportée de la partie froide vers la partie chaude et pour cela, on utilise généralement un fluide, que l’on appelle fluide caloporteur (il transporte la chaleur) ou encore fluide réfrigérant, voire fluide frigorigène. Dans le cas des très basses températures en cryogénie, ce fluide peut être appelé fluide cryogène.

Pour « produire du froid », il existe différentes possibilités :

  • Mélanger un liquide avec un solide approprié comme de l’eau avec du sel: le mélange des deux créant une réaction chimique abaissant la température de fusion de la glace
  • Diminuer brutalement la pression d’un gaz (détente ou expansion) : par exemple lors du passage dans une vanne (effet Joule-Thomson : fonctionne sous une certaine température dite d’inversion) ou lors du passage dans une turbine à gaz (on extrait de l’énergie au gaz en énergie mécanique de rotation).
  • Echanger de la chaleur entre une source chaude et une source froide : échangeur de chaleur.

Un peu de thermodynamique

Le réfrigérateur va venir faire subir des transformations à ce fluide réfrigérant dans un circuit fermé. Le but étant de faire une boucle de manière à ce que le fluide circule en circuit fermé. Dans ce cas l’état initial du fluide est égal à l’état final du fluide et on fait subir à notre fluide réfrigérant un cycle thermodynamique.

Théoriquement, les réfrigérateurs de cuisine sont basés sur un cycle appelé cycle de Carnot qui est constitué d’un ensemble de 4 transformations idéales, voir billet précédent La Thermodynamique : Principes et Applications où le cycle de Carnot est détaillé.

Le cycle de Carnot est théorique et n’est pas réalisable. En réalité, dans les réfrigérateurs domestiques, une des transformations adiabatiques (sans échange de chaleur) du cycle de Carnot est remplacée par une transformation isenthalpique (l’enthalpie est conservée). Vous pouvez allez voir le billet précédent intitulé La Thermodynamique : les Bases pour mieux comprendre les notions de transformations et d’enthalpie.

Si l’on regarde le diagramme de P-h (la pression en fonction de l’enthalpie) et le schéma du réfrigérateur on peut décomposer chaque transformation:

–  De 1 à 2, le fluide est compressé d’une pression basse à une pression haute, via un compresseur, ce qui provoque une élévation de la température du fluide.

La transformation 2-3 permet d’extraire une partie de l’énergie du fluide (QH), le fluide passe dans un échangeur, c’est celui qui se trouve derrière votre réfrigérateur. Dans beaucoup de système, cette étape vise à recondenser le fluide. Comme le passage d’une phase à une autre se fait à température et pression constante, ce transfert d’énergie du fluide vers la pièce où se trouve le réfrigérateur se matérialise par la liquéfaction du fluide.

Entre les points 3 et 4, le liquide passe à travers un organe de détente, typiquement un capillaire dans les réfrigérateurs domestiques car il est peu coûteux et ne nécessite pas d’entretien particulier ou de maintenance. Le but de ce capillaire est d’avoir un diamètre suffisamment petit afin de créer une forte friction entre le fluide et les parois, et ainsi d’obtenir une pression plus basse à sa sortie. En subissant une chute de pression, le fluide sort alors à une température plus basse que celle de l’intérieur du réfrigérateur. 

Lors de la transformation 4-1 le fluide passe dans un échangeur qui se trouve dans les parois du réfrigérateur. Il extrait alors la chaleur de l’intérieur du réfrigérateur en se vaporisant. L’avantage du processus de vaporisation réside dans le fait que tout au long de l’échangeur, le fluide est à la même température, ce qui permet d’avoir la même température à chaque niveau du réfrigérateur.



Schéma de fonctionnement d’un réfrigérateur et son diagramme P-h associé (cliquez pour agrandir)

Le processus est finalement relativement simple et lorsque l’on souhaite chauffer sa maison avec une pompe à chaleur, le principe est le même, il suffit de remplacer l’intérieur du réfrigérateur par l’extérieur de la maison, et d’évacuer la chaleur du fluide en servant de source chaude au circuit de chauffage : le cycle « tourne » ainsi dans l’autre sens.

Cryogénie

La cryogénie est définie comme la branche de la physique qui traite de la production des très basses températures et de leurs effets sur la matière mais plus communément, la cryogénie est la science et ses applications qui traite des phénomènes physiques inférieurs à -153°C. Cette température représente la limite en dessous de laquelle les principaux gaz atmosphériques se liquéfient. En cryogénie, on ne parle plus en degrés Celsius mais en degré kelvin pour des
raisons de commodités. Le zéro degré kelvin correspond au zéro absolu et est égal à -273,15°C (cf. article sur la température pour plus de précisions). La cryogénie est souvent confondue avec la « cryonie » et donc perçu par le grand public comme une technique de congélation des êtres vivants. Pour l’instant il s’agit plus de science-fiction, même si la préservation de tissus organiques est aujourd’hui possible : c’est que l’on appelle la cryobiologie.

Les principaux fluides cryogéniques sont les suivants (les températures représentés sont les températures d’ébullition à pression atmosphérique ce qui veut dire que sous cette température, ces gaz atmosphériques sont liquides) :

  • Méthane : 111 K (-162,15°C)
  • Oxygène : 90 K (-189,15°C)
  • Argon : 87 K (-186,15°C)
  • Azote : 77,3 K (-195,85°C)
  • Néon : 27,2 K (-245,95°C)
  • Hydrogène : 20,27 K (-252,88°C)
  • Hélium: 4,21 K (-268,94°C)

Tous ces éléments sont principalement utilisés sous forme liquide en médecine, dans l’industrie chimique, en métallurgie, pour l’industrie spatiale ou dans les transports mais aussi en physique des particules. Aujourd’hui l’hydrogène liquide est beaucoup moins utilisé en physique des particules depuis
la diminution du nombre de chambres à bulles, et l’oxygène ne sert plus de réfrigérant à cause des risques d’accidents potentiels. Les accélérateurs ont besoin de la cryogénie appliquée à la supraconductivité et certains instruments utilisent des gaz lourds liquéfiés (comme l’argon ou le krypton) à basse température pour créer un milieu actif propice à la détection de certaines
particules.

Les réfrigérateurs cryogéniques sont généralement constitués de 2 principales parties :

– Une station de compression qui permet de compresser le fluide cryogène.
– Une boîte froide permettant de refroidir le fluide par détentes successives à travers des turbines, des pistons ou des vannes jusqu’à sa liquéfaction.

Afin de liquéfier ces gaz cryogéniques, on utilise la méthode de détente de Joule-Thomson, non pas qu’elle soit plus efficace mais parce qu’elle est peu coûteuse. En comparaison au réfrigérateur domestique, le capillaire est remplacé par une vanne, bien isolée thermiquement, dont l’ouverture est réglable et permet de séparer le gaz à haute pression de celui à basse pression. Cette détente a quand même une particularité. Si la température du fluide avant de passer la vanne est inférieure à la « température d’inversion de Joule Thomson », alors le fluide sort à une température plus basse. Ceci est très pratique pour des gaz qui ont des températures d’inversion supérieure à la température ambiante, ce qui est le cas de l’azote et de l’oxygène. Malheureusement ce n’est pas le cas de l’hélium, qui a besoin d’être refroidi au préalable grâce à des turbines car sa température d’inversion se situe autour de 40 kelvins : l’effet Joule-Thomson est donc effectif sous cette température uniquement. Les turbines fonctionnement sur le même principe que celles qui produisent l’électricité dans les centrales nucléaires. Le gaz arrive à haute pression et transforme son énergie en énergie mécanique en faisant tourner des pâles, mais dans le cas d’une turbine cryogénique, le travail fournit par l’hélium ne fournit pas d’énergie électrique. L’hélium est alors détendu est sa température abaissée.

Pour plus de précisions sur l’hélium liquide et sa découverte faite en 1908 par Heike Kamerlingh Onnes, voir mon analyse sur la bibliothèque numérique Bibnum faite il y a quelques mois : L’hélium Liquide.