L’hélium superfluide

Publié le 19 mars 2019 | Écrire un commentaire

Etant ingénieur pour l’opération du système cryogénique du LHC au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) à Genève, j’ai la chance de travailler avec le plus grand stock d’hélium superfluide du monde : le LHC en contient environ 100 tonnes pour fonctionner…

Mais c’est le dernier livre de Sébastien Balibar, « Savant cherche refuge », qui m’a donné envie d’écrire cet article. En effet, la superfluidité, phénomène pour le moins extraordinaire à notre échelle, a été découvert et expliqué dans un climat international inédit avec de nombreux chercheurs cherchant à se réfugier des désastres de la guerre pour mener à bien leurs recherches.

Aujourd’hui, on trouve de l’hélium superfluide dans les laboratoires du monde entier (et surtout au CERN !) mais son obtention et sa compréhension a été pour le moins « complexe » et a fait couler beaucoup d’encre avant d’arriver à un résultat faisant consensus auprès des physiciens. Cette découverte est une grande découverte scientifique et son histoire, comme toute grande découverte scientifique, est passionnante…

Pourquoi superfluide ?

Tout d’abord quelques éclaircissements sur ce qu’est un superfluide. Dans la nature, il existe plusieurs états de la matière comme l’état solide, gazeux ou liquide (en fait l’état le plus abondant dans l’univers est l’état de plasma dont sont composés les étoiles). Mais il en existe au moins un autre, moins connu: l’état superfluide. Cet état a été observé dans l’hélium à très basse température, en dessous de 2,17 Kelvin, soit environ -271 degrés Celsius. Alors, qu’est ce qui caractérise les superfluides ? Eh bien, quand on fait des expériences avec, on observe des comportements tout à fait impossibles avec tous les autres fluides. Voici quelques exemples:

  • Prenez un tube de quelque millième de millimètre et essayer de faire circuler un liquide dedans : c’est impossible, sauf pour un superfluide qui s’engouffre dedans sans problème et s’écoule librement.
  • Verser un liquide dans un verre : le liquide est censé rester au fond, eh bien pas le superfluide qui va remonter le long des parois et sortir tout seul du verre.
  • Prenez une paille et faite la tourner dans un verre rempli de liquide, tout le liquide va rapidement se mettre à tourner avec la paille, eh bien pas le superfluide qui va rester immobile!
  • Chauffez une piscine olympique avec une résistance chauffante plongée à l’intérieur : peu à peu, toute la piscine va se réchauffer et ça va prendre pas mal de temps avant d’avoir la même température partout.  Eh bien, si vous remplissiez votre piscine de superfluide, toute la piscine aura la même température à tout moment, comme si la chaleur se propageait instantanément.

Vous l’aurez compris, un superfluide, c’est bizarre ! C’est un liquide qui ne possède pas de viscosité avec une capacité de transporter la chaleur de manière parfaite.

La chose qui a mis en déroute les physiciens est le fait que l’hélium en dessous de 2,17 K est en fait un mélange de 2 fluides : une composante normale (nommée « He I ») et une composante superfluide (nommée « He II ») qui peuvent se déplacer indépendamment l’un de l’autre, et plus on refroidit le mélange, plus la composante superfluide est importante. C’est cette particularité qui a engendré des phénomènes parfois contradictoires selon les expériences mise en œuvre. Mais maintenant, intéressons-nous à l’histoire passionnante de cette découverte.

Les personnages

Les protagonistes principaux sont les suivants (par date de naissance):

  • Willem Hendrik Keesom (1876), néerlandais ayant travaillé à Leyde avec H.K. Onnes, le premier à avoir liquéfié de l’hélium en 1908. Keesom est l’un des premiers à avoir noté une transition importante à 2,17 K dans l’hélium dès 1927.
  • Piotr Kapitsa (1894), russe, découvreur de la superfluidité en 1937. Nobel 1978.
  • Fritz London (1900), allemand, c’est le premier à proposer « l’idée folle » que la superfluidité est un phénomène quantique macroscopique.
  • Laszlo Tisza (1907), hongrois, le fil conducteur du livre de S. Balibar, c’est lui qui proposera le premier modèle théorique « sérieux » le la superfluidité : le fameux modèle à 2 fluides.
  • Lev Landau (1908), russe, il est à l’origine de la compréhension profonde de la superfluidité et aboutira à un modèle théorique complet du phénomène au début des années 40. Nobel 1962.
  • Jack Allen (1908), canadien, découvreur de la superfluidité en 1937 avec Don Misener à Cambridge, indépendamment de Kapitsa et en même temps.

Haut : Kapitsa, Landau, Allen.
Bas: London, Tisza, Keesom

Les lieux

Les personnages étant posés, voici les lieux où se déroulent cette aventure (par ordre alphabétique) :

  • Cambridge, Angleterre : laboratoire de Allen et Misener où la superfluidité sera étudiée pour la première fois (enfin en même temps que Kapitsa à Moscou).
  • Etats-Unis : Refuge de très nombreux scientifiques européens pendant cette période de trouble. London et Tisza y trouveront refuge pendant la guerre.
  • Kharkov, Ukraine : Landau a commencé ses recherches à l’université de Kharkov et Tisza y fera un séjour en 1937, l’année où la superfluidité sera découverte.
  • Leyde, Pays-Bas : Berceau de la physique des basses températures à l’hélium ayant hébergé Onnes et Keesom. Laboratoire ayant produit les premières gouttes d’hélium liquide (et de superfluide sans le savoir) dès 1908.
  • Moscou, Russie : Landau et Kapitsa passeront une bonne partie de leur temps de recherche à l’institut des problèmes physiques de Moscou.
  • Oxford,Angleterre: l’hélium superfluide coula aussi très tôt à Oxford et hébergera de nombreux scientifiques liés à la superfluidité comme London.
  • Paris, France : De nombreux efforts ont été faits à Paris pour héberger les scientifiques menacés par les nazis. London et Tisza y trouveront refuge plusieurs années, aidés par de nombreuses personnes dont Louis Rapkine qui a joué un rôle clé.

Pendant l’entre-deux guerre puis pendant la deuxième guerre mondiale, les scientifiques prometteurs comme les acteurs de la superfluidité seront aidés par des bourses leur permettant de subvenir à leurs besoins et de voyager dans les différents laboratoires dans le monde « relativement » facilement pour cette époque. La plus connue est sans doute la bourse Rockefeller qui a sauvé de nombreux chercheurs prestigieux en ces périodes de troubles. J’ai essayé de retracer quelques parcours des protagonistes de la superfluidité (ce n’est pas exhaustif mais j’ai essayé de faire de mon mieux) :

  • Kapitsa : Saint Petersbourg => Cavendish (1923) => Moscou (1934)
  • Tisza : Budapest (1907) => Paris (1937) => Toulouse (1939) => Lisbonne (1940) => Etats-Unis (1941).
  • London : Breslau (1900) => Berlin ( ???) => Rome (1931) => Berlin (1932) => Oxford (1933) => Paris (1936) => Etats-Unis (1939).
  • Landau : Bakou (1908) => Petrograd (1922) => Voyage à travers l’Europe (1929): Gottingen, Leipzig, Copenhague, Cambridge, Zurich   => Leningrad (1931) => Kharkov (1932) =>   Moscou (1937) => Boutyrskaïa, prison proche de Moscou (1938) => Moscou (1939).

Qui a découvert la superfluidité ?

Visiblement, tout porte à croire que Kapitsa et Allen ont « découvert » la superfluidité à peu près en même temps et de manière indépendante en 1937. Mais disons-le clairement, cette « découverte » était dans l’air du temps et plusieurs équipes avaient déjà dans les années précédentes mis en avant l’existence de deux héliums liquides bien distincts (l’hélium I et II) séparés par le « point lambda » autour de 2,17 K. Ce nom « lambda » a d’ailleurs été donné par Keesom en 1927 à Leyde en référence à la forme de la chaleur spécifique (i.e. la quantité d’énergie à apporter au liquide pour élever sa température de 1 degré) de l’hélium en fonction de sa température autour de 2,17 K qui ressemble à la lettre grecque lambda (λ). Je rappelle que Leyde (situé aux Pays-Bas) est le berceau de l’hélium liquide qui fut découvert peu avant par H.K Onnes en 1908 (détails ici).


Mesure de la chaleur spécifique de l’hélium autour de 2,17 K par Keesom en 1927 à Leyde ayant la forme du lambda grecque.

En revanche, c’est bien Kapitsa qui a inventé le mot « superfluide ». Allen et Kapitsa ont pu observer et publier des résultats montrant que l’hélium en-dessous de 2,17 K semble présenter une viscosité extrêmement faible. Ils publièrent d’ailleurs tous les deux leur article dans le même numéro de Nature en Janvier 1938 dans deux pages consécutives.  L’article de Kapitsa avait pour titre “Viscosity of liquid helium below the λ-point” alors qu’Allen titrait “Flow of liquid helium II”. C’est dans cet article que Kapitsa énonça sa phrase célèbre qui est étonnemment clairevoyante en y repensant avec le recul d’aujourd’hui : « by analogy with superconductors, that the helium below the λ-point enters a special state which might be called superfluid« . En effet, leurs expériences montrèrent que l’hélium liquide en dessous de cette température entre dans un état spécial, car quantique, tout comme la supraconductivité mais ils ne le savaient pas encore à cette époque ! Le superfluide peut s’écouler dans des capillaires (de tout petits tuyaux) ou dans des fentes de taille microscopique sans aucun problème, ce qu’aucun autre fluide ne peut faire à cause du phénomène de viscosité qui tend à « freiner » les écoulements.

Pour faire court, on apprend à l’école que la vitesse d’un fluide dans un tuyau dépend de la taille du tuyau (plus il est gros et plus le fluide va vite) et de la différence de pression entre l’entrée et la sortie (plus la différence de pression est grande, plus le fluide va vite). Et quand Kapitsa et Allen (qui sont allés à l’école comme vous et moi) ont voulu vérifier cela avec L’hélium superfluide, ce n’est pas du tout ce qu’ils ont pu mesurer : si on fait varier la taille de ces capillaires, même d’un facteur 1000, la vitesse d’écoulement n’est quasiment pas modifiée. De même en faisant varier la différence de pression entre l’entrée et la sortie, la vitesse du superfluide demeurait constante, ce qui contredisait catégoriquement la mécanique des fluides ! Et on ne peut pas renier ce genre de chose comme ça ! Ce genre de contradiction s’appelle tout simplement une « grande découverte scientifique ».

Qui a compris la superfluidité en premier ?

Voici mon sentiment après la lecture du dernier livre de S. Balibar: c’est bien London le premier à avoir senti ce qu’était la superfluidité, à savoir un phénomène quantique à l’échelle macroscopique correspondant à un genre de condensat de Bose-Einstein dans un liquide. London écrira d’ailleurs en 1938 à son frère Heinz « j’ai trouvé une chose folle » en parlant de cette découverte. Il publiera ensuite une note dans la revue Nature à ce sujet le 5 mars 1938 : « the lambda-phenomenon of liquid helium and the Bose-Einstein degeneracy ».

C’est ensuite Tisza qui a immédiatement posé les bases d’un premier modèle original, le fameux modèle à deux fluides, intuition de génie pour expliquer les phénomènes observés, extrêmement étranges et parfois contradictoires. London rejettera ce modèle à tort mais Tisza persévéra et publia peu après une note en Mai 1938 dans Nature portant le titre « Transport Phenomena in Helium II » où il introduit ce modèle qui deviendra un modèle puissant, intuitif et simple à utiliser pour calculer les propriétés de l’hélium superfluide.

Enfin, Lev Landau, petit génie de la physique, reformule de manière plus rigoureuse le modèle à deux fluides pour aboutir à un modèle cohérent et complet qu’il publie en 1941 dans Physical Review. Pour expliquer la superfluidité, Landau se base entre autre sur la propagation et l’oscillation de quasi-particules: les phonons et les rotons (inventés par l’occasion par Landau). Landau recevra seul le Nobel sur ce sujet, ce qui peut paraitre un peu injuste vis-à-vis de London et Tisza…

Pour aller plus loin

Voilà ce que j’avais à dire sur ce sujet mais si vous voulez en savoir plus, c’est sans contestation Sébastien Balibar la référence française en la matière, alors voici quelques conseils de lecture :

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Publié dans Thermo/Energie, Histoire des Sciences, Phys. Particules/Quantique

La résonance

Publié le 6 janvier 2019 | Un commentaire

Le phénomène de résonance est présent dans de nombreux domaines de la physique et est utilisé dans de très nombreuses applications, de la balançoire aux accélérateurs de particules. Parfois embêtant, il peut aussi s’avérer fort utile, voire indispensable.

Un peu d’étymologie pour commencer. On a tendance à associer la résonance au domaine de l’acoustique dans le langage courant signifiant « prolongation de la durée d’un son » depuis le 14ème siècle mais cette définition n’est plus d’actualité puisque la résonance peut s’étendre à tous les phénomènes ondulatoires dans lesquels une onde peut se propager et induire une vibration. En dehors des ondes acoustiques, on peut citer les ondes sur cordes vibrantes, les ondes sismiques, les vagues ou encore les ondes électromagnétiques comme la lumière ou la radio.

Si on s’intéresse aux ondes mécaniques, toute structure possède des fréquences propres, c’est-à-dire des fréquences auxquelles une structure mécanique peut vibrer si on excite cette fréquence particulière. Le meilleur exemple est sans doute la balançoire : en tendant les jambes à un moment bien précis, on donne une impulsion de manière répétée à intervalle régulier (à une fréquence constante), induisant une oscillation. Dans le cas de la balançoire, les équations de la mécanique nous permettent de calculer précisément la fréquence de résonnance (ou d’un pendule simple), qui est fonction de l’amplitude du mouvement.

Les résonances néfastes

Toutes les constructions, comme les ponts, possèdent donc une fréquence propre qui peut être amplifiée si on l’excite suffisamment, c’est-à-dire si on applique une force suffisante dans la bonne direction et à la bonne fréquence, avec des rafales de vents périodiques par exemple ou des soldats qui marchent au pas. Un pont peut ainsi entrer en résonance, provoquant de fortes oscillations jusqu’à son effondrement ! On peut mentionner le cas du pont suspendu de la Basse-Chaîne sur la Maine à Angers qui s’effondra en 1850 suite au passage de militaires marchant au pas (les 226 soldats perdirent la vie). Cependant, l’origine exacte de l’effondrement du pont de la Basse-Chaîne fait toujours débat car une tempête sévissait ce jour-là et le règlement militaire exigeait déjà à cette époque de ne pas marcher au pas sur les ponts…

La rupture du pont de la Basse-Chaîne à Angers en 1850.

On mentionne aussi souvent l’histoire du pont de Tacoma (USA) en 1940 qui serait entré également en résonance suite à des rafales de vent. Cependant, plusieurs études scientifiques ont montré que ce pont ne s’est pas écroulé à cause du phénomène de résonance mais à cause d’une instabilité aéroélastique de torsion engendrée par le vent, voir la vidéo impressionnante de cette catastrophe (le pont a oscillé pendant plus d’une heure avant de s’effondrer) : https://www.youtube.com/watch?v=Rmfl2kFeNPM

En automobile également, nombreuses sont les résonances qui peuvent nous agacer. Vous roulez sur l’autoroute à faible vitesse et tout va bien… Vous décidez alors d’accélérer et là, tout à coup, un bourdonnement survient et persiste, vous accélérez encore et le bruit disparait : vous venez de faire entrer en résonance une partie de votre voiture (carrosserie, pneumatique, etc.), liée à la fréquence de rotation du moteur ou des roues, qui est proportionnelle à la vitesse du véhicule. Pour cette raison les pneumatiques sont désormais équipés de motifs non périodiques (i.e. qui ne se répètent pas parfaitement) pour éviter tout phénomène de résonance au niveau des pneus. Les amortisseurs des automobiles sont également conçus pour avoir des fréquences de résonance qui ont le moins d’impact possible sur le corps humain, moyennant sinon une gêne importante, voire un mal des transports. Comme le mentionne A. Létévé dans sa thèse, « Il s’avère que la plage de fréquence de 0 à 20 Hz dans laquelle le corps humain est extrêmement sensible aux vibrations verticales correspond à la plage de fonctionnement de la suspension ». Il y a clairement des fréquences à éviter pour le corps humain, comme entre 4 Hz et 11 Hz qui entrainent des douleurs similaires à celle d’un infarctus (le cœur a une fréquence de résonance de 7 Hz).

Décomposition du corps humain en systèmes masses ressorts amortisseurs avec les fréquences de résonance de chaque partie. Extrait de la thèse de Aurore Létévé (2014).

Les résonances vertueuses

En musique

La première résonance à laquelle on pense est bien entendu en musique. En effet, les instruments à cordes et à vent ainsi que les percussions exploitent le phénomène de résonance pour former des notes bien précises et pouvoir ainsi jouer un morceau de musique. Sans résonance, pas de musique…

Les instruments à cordes possèdent plusieurs fréquences de résonance qui dépendent de la longueur, de la masse et de la tension de chaque corde. C’est pour cette raison qu’on accorde la plupart de ces instruments en réglant la tension de chaque corde pour obtenir la résonance à la fréquence/note voulue (la masse et la longueur étant constantes). Cette résonance se produit sur l’onde mécanique qui se propage le long de la corde lorsque cette dernière est excitée par une impulsion qui en théorie contient toutes les fréquences. La corde produit alors un son contenant uniquement les fréquences de résonance de la corde (appelées fréquences propres) car toutes les autres fréquences sont rapidement atténuées et disparaissent sans pouvoir être entendues et amplifiées par le corps de l’instrument. L’impulsion initiale est générée par le musicien soit par un pincement (guitare, harpe…), soit par un coup (piano, clavecin…), soit par un frottement avec un archer (violon, violoncelle…). Pour information, la physique des cordes vibrantes est modélisée une équation aux dérivées partielles qui fut resolue par d’Alembert en 1747 et qui s’étudie généralement dans les classes préparatoires scientifiques.

L’équation des ondes qui modélise la propagation d’une onde dans un milieu continu et infini.

En imagerie médicale

Le phénomène de résonance est la clef de voute d’une technique d’imagerie médicale que vous connaissez : l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Ici, la résonance n’est pas mécanique comme dans le cas de la balançoire ou des ponts mais magnétique. Un champ magnétique constant est appliqué sur le patient ainsi qu’un champ oscillant pour exciter les spins des atomes du corps humain (propriété quantique des atomes) et les faire entrer en résonance pour les détecter et fabriquer une image, c’est ce qu’on appelle la résonance magnétique nucléaire, voir mon article précédent de la RMN à l’IRM.

En physique des hautes énergies

Une autre application moins connue du grand public est l’accélération des particules à hautes énergies avec des cavités radiofréquences (RF). Pour accélérer des particules chargées, on utilise un champ électrique (les particules positives/négatives sont accélérées par une tension électrique opposée à leur charge). On peut alors utiliser le phénomène de résonance pour améliorer cette accélération en donnant une petite impulsion aux particules à une fréquence précise. Pour induire cette résonance, une onde électromagnétique est envoyée dans une cavité ayant une forme bien particulière permettant la résonance des ondes à la fréquence propre de la cavité, de l’ordre de la centaine de MHz, c’est-à-dire dans la gamme des fréquences radio (d’où le nom de cavités RF). Les cavités sont agencées en série pour accélérer les particules en ligne droite et le champ électrique est alors inversé quand les particules passent au centre d’une cavité de telle manière à ce que les particules « voient » toujours une tension opposée à leur charge pour être accélérées de proche en proche continuellement. Je vous conseille de voir cette petite vidéo du CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) sur le fonctionnement des cavités RF du LHC qui illustre bien le phénomène:  https://videos.cern.ch/record/1750705

Un des modules DTL du Linac 4 en train d’être assemblé au CERN (Image: Maximilien Brice/CERN). On peut voir les cavités RF au centre du module entre lesquelles les particules sont accélérées.

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Publié dans Phys. Particules/Quantique, Physique

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Une histoire de tout, ou presque…

Publié le 24 décembre 2018 | Écrire un commentaire

Le titre de ce livre de Bill Bryson peut faire sourire mais quand on le lit, c’est la franche rigolade ! Ce livre a reçu le prix Aventis pour le meilleur livre de vulgarisation scientifique en 2004 et le prix Descartes de la communication scientifique en 2005 et c’est tout à fait justifié.

J’ai la chance d’avoir lu pas mal de livres de vulgarisation scientifique dans ma vie dont beaucoup d’excellents mais celui-là me laissera un souvenir unique et impérissable. Comment un personnage comme Bill Bryson (qui est écrivain-voyageur) peut prétendre raconter « l’histoire de tout » en 600 pages ? Eh bien si, c’est possible, il l’a fait, et de manière absolument incroyable. J’ai rarement appris autant de choses dans un livre, surtout avec un humour aussi décapant et incisif, impossible d’échapper à un ou deux rires tout haut dans mon lit le soir pendant mes lectures ! Ce livre est destiné au grand public mais même sur des sujets scientifiques pourtant familiers, il réussit à nous faire redécouvrir l’histoire des sciences avec son angle de vue bien à lui.

Le livre commence avec le début de l’Univers et fini à aujourd’hui, c’est aussi simple que cela et c’est tout à fait logique au vu du titre. Entre temps, on passe (dans le désordre) par les dinosaures, la géologie, la relativité, la physique des particules, la vie, le climat, la chimie, la génétique, l’océanographie, l’évolution, les bactéries, nous-mêmes, etc. En fait, ce que je préfère dans cet ouvrage, c’est que Bill Bryson nous raconte sa version de l’histoire des sciences comme si on était deux vieux copains accoudés au comptoir d’un bistrot autour d’une petite bière (pratique qu’il aime bien d’ailleurs après avoir lu deux autres de ses livres depuis).

Le nombre d’anecdotes est phénoménal et je pense que sa vraie force réside dans le fait de nous transmettre la joie de découvrir comment la science s’est construite au jour le jour, d’années en années et de siècles en siècles avec des hommes et des femmes étonnants, rarement reconnus dans la « grande histoire des sciences » pour leurs contributions. Il explique très bien comment de nombreux faits nouveaux ont été pré-découverts par des inconnus avant de l’être par leurs « découvreurs officiels » retenus par l’histoire. C’est avec ce livre qu’on comprend vraiment que la science ne serait pas ce qu’elle est aujourd’hui si on avait seulement eu Galilée, Newton, Darwin, Planck et Einstein. Il en faut des milliers d’autres pour que ça marche, même si certains ont des démarches plus ou moins douteuses comme Haldane qui organisait des expériences sur les limites du corps humain plus que dangereuses sur lui-même et son entourage. Extrait :

« Alors qu’il s’empoisonnait scrupuleusement à l’oxygène, Haldane eut un jour une crise d’épilepsie si violente qu’il s’écrasa plusieurs vertèbres. Le collapsus de poumons était un accident de pure routine ; la perforation des tympans était plus courante encore, mais, comme le soulignait Haldane dans une note rassurante, le tympan en général se soigne ; et s’il y reste un trou, bien que l’on en reste un peu sourd, on peut souffler de la fumée de cigarette par l’oreille concernée, ce qui est un véritable talent de société. »

Etant thermodynamicien, j’ai apprécié la place qu’il donne à J.W. Gibbs qui est tout autant à honorer que les traditionnels Planck, Boltzmann ou Maxwell à cette époque alors que Gibbs est souvent oublié et inconnu du grand public. Bill Bryson nous rappelle à juste titre le génie de cet individu, qui a inventé le terme « mécanique statistique » et qui est un des précurseurs de la physique statistique, une des plus grandes théories de la fin du 19ième siècle. Gibbs a d’ailleurs rédigé une œuvre que les spécialistes qualifient de « principia de la thermodynamique », entendez par là qu’il possède un génie égal à Newton… Malheureusement Gibbs a publié son œuvre dans une revue obscure du Connecticut dont personne n’a jamais entendu parler (même dans le Connecticut !) et ne cherchait ni la célébrité, ni vraiment à partager ses idées avec le monde…

Mais l’histoire que je préfère est sans doute celle de ce pasteur australien inconnu dénommé Robert Evans qui a découvert avec son télescope amateur dans son jardin plus que de 40 supernovæ depuis les années 50, avec une moyenne de deux supernovæ par an entre 1981 et 1996, soit plus que les grands télescopes internationaux pendant cette même période. Certes, il a depuis été dépassé par la technologie mais il reste redoutable, même face à l’armée des télescopes géants qui sillonnent le monde assistés d’une puissance informatique computationnelle hors du commun. Bill Bryson nous explique que si vous lanciez des grains de sel un jour au hasard sur 1500 tables devant cet astronome amateur, il détecterait facilement un grain de sel déplacé le lendemain. En revanche, sa femme nous explique depuis sa cuisine qu’il ne se souvient jamais de l’endroit où il pose les choses dans la maison, voici une histoire typique à la Bill Bryson !

Bref, vous l’aurez compris, si vous êtes curieux, vous devez lire ce livre !

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Publié dans Histoire des Sciences, Livres

Les ingénieurs, le progrès et l’innovation

Publié le 3 janvier 2018 | 2 commentaires

Je suis ingénieur. Je crois au progrès. Je déteste cette dénomination « d’innovation ».

Etienne Klein, que j’aime bien puisqu’il est ingénieur, physicien, philosophe des sciences, attaché au CERN et amoureux de la montagne, nous offre une discussion dans son dernier livre avec Denis Lafay sur le sujet Sauvons le progrès. J’ai pris un vrai plaisir à lire ce dialogue, ou plutôt cet essai, et j’ai besoin de m’exprimer à ce sujet ici…Etienne Klein mentionne que les ingénieurs s’expriment relativement peu dans notre société actuelle comparés aux chercheurs, artistes, sportifs, journalistes, économistes, etc. alors qu’ils sont des acteurs importants dans notre techno-société. En effet, cette « classe » est à l’origine de la plupart des objets et services que nous consommons et utilisons quotidiennement. En tant qu’ingénieur, j’ai donc voulu mettre mon grain de sel à ce sujet : les ingénieurs et le progrès.

Les ingénieurs sont près d’un million en France aujourd’hui et sont présents dans tous les secteurs, de l’écologie à l’automobile en passant par l’agro-alimentaire, la santé, la finance, l’énergie, le transport, le génie civil, les sports et loisirs, les télécommunications, la chimie, l’informatique et bien d’autres domaines encore. Cela représente autour de 3% des actifs mais imaginez que c’est près de 35 000 ingénieurs qui arrivent dans le monde du travail chaque année, contre moins de 10 000 au milieu des années 70. Certes, le titre « d’ingénieur » a beaucoup évolué depuis. Considérés comme des « savants » dans les années 50, ils sont aujourd’hui de « super techniciens » ou des « super commerciaux » dans une proportion significative (pas tous quand même) et le métier d’ingénieur a bien changé. Cependant, leur contribution au progrès de notre société est importante dans notre monde hyper-technologique. Mais au fait, c’est quoi un ingénieur aujourd’hui ? Quand on tape « ingénieur » dans Google image, la plupart des images montrent un bonhomme avec un casque et une cravate, étrange stéréotype complètement dépassé…

Le métier d’ingénieur

Il y a autant de métiers différents au sein des ingénieurs que de domaines dans le monde du travail. En fait, dans le terme d’ingénieur, il faut plutôt y voir un titre plutôt qu’une fonction ou un métier. Généralement cadres ou dirigeants mais pas toujours, les ingénieurs organisent le travail dans les entreprises, les organismes et l’industrie. Ils doivent avoir les compétences techniques et humaines nécessaires au bon déroulement des différents projets en gérant les aspects techniques, humains, commerciaux, budgétaires, environnementaux, etc. Idéalement, pour définir un ingénieur, j’aimerais donner cette réponse :

« Un ingénieur est une personne ayant suivi une formation scientifique théorique et technique lui permettant d’utiliser ses connaissances de manière à favoriser le progrès en améliorant le quotidien des citoyens ».

Progrès et innovation

Malheureusement, j’ai l’impression que ma définition ci-dessus ne s’applique pas à une part significative des ingénieurs français qui sont soumis à la loi du travail et de l’argent où les ingénieurs sont en quelque sorte cantonnés à appliquer des recettes de cuisine toutes faites et que la notion de progrès ne fait pas vraiment partie de leur mission de marchandisation. En revanche, depuis quelques décennies, « on » n’arrête pas de vanter l’innovation dans les entreprises et les grandes écoles. Je me souviens à ce sujet avoir suivi un cours dénommé « management de l’innovation » en école d’ingénieur il y a plus de 10 ans et cette expérience m’avait laissé pantois… Je trouve cette frénésie de l’innovation tout à fait inadéquate et surfaite. Je rejoins totalement Etienne Klein et Denis Lafay dans leur dernier ouvrage sur ce point lorsqu’ils expliquent que le progrès possède une portée bien plus grande que l’innovation. Le progrès prend en compte une « philosophie de l’histoire » et ambitionne d’améliorer notre avenir en prenant en compte le passé alors que l’innovation n’est qu’un levier parmi d’autres pour atteindre cet objectif.

Pourquoi ne parle-t-on plus de progrès mais d’innovation aux futurs ingénieurs ? Il est clair que désormais, on ne demande plus aux ingénieurs d’accroître les connaissances de l’homme et des entreprises pour permettre un progrès de notre société mais bien des innovations pour rester compétitif et augmenter les bénéfices dans une mondialisation sans pitié. C’est une fois de plus l’argent qui dirige… Je suis peut-être idéaliste (certains emploierons l’épithète de « naïf » à mon égard) mais je continue de penser que pour être heureux et s’accomplir dans son métier, la notion de progrès est primordiale contrairement à cette innovation tant acclamée et réclamée à tort et à travers. Pour moi (mais peut-être ai-je tort), le progrès est fait pour aider les hommes en améliorant la vie quotidienne dans notre société, alors que l’innovation est faite pour aider les entreprises et le capitalisme.

Ingénieur au CERN…

Dans mon métier d’ingénieur au CERN (organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), je conserve cette idée de progrès autant que possible. Certes, le monde du CERN et le monde de l’entreprise n’ont à première vue pas grand-chose en commun, mais quand même ! Nous avons les mêmes contraintes de ressources, de planning, de stress, de protection de l’environnement, etc. Nous sommes une organisation internationale à but non lucratif ayant pour objectif de doter la communauté scientifique des hautes énergies d’instruments de hautes technologies pour augmenter la connaissance de l’homme sur la matière et ses interactions. En d’autres termes, nous ne vendons rien, nous ne faisons aucuns bénéfices et nous ne servons pas directement les intérêts de la population. En revanche, pour atteindre cette noble tâche (que certains pourraient qualifier d’inutile), nous favorisons le progrès de notre société pour 4 raisons :

  • la science fondamentale: L’augmentation de la connaissance de l’homme sur la matière permettra à d’autres personnes et entreprises de découvrir de nouvelles technologies dans l’avenir, parfois révolutionnaires. J’aime bien dire que « ce n’est pas en faisant de l’innovation sur la bougie que l’homme a découvert l’électricité pour mieux s’éclairer ».
  • les technologies: Pour fabriquer ces instruments scientifiques, comme les accélérateurs de particules, nous développons des technologies qui participent directement au progrès. Par exemple, la recherche et la fabrication d’aimants supraconducteurs de hautes technologies pour le LHC a favorisé la fabrication de machines IRM de résolution inconcevable il y a encore quelques décennies dans les hôpitaux.
  • le transfert technologique: Pour fabriquer certains composants en grande quantité, le CERN fait appel à l’industrie de ses pays membres en leur transférant directement les technologies nécessaires à leur fabrication.
  • la formation: Toutes les technologies et les savoirs développés au CERN retournent dans l’industrie et les entreprises des pays membres à travers les personnes formées au CERN qui retournent dans leur pays d’origine.

En une phrase pour conclure : vous autres ingénieurs, exprimez-vous et pensez au progrès, cela fait partie de la beauté de votre métier !

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Les étoiles à neutrons

Publié le 25 novembre 2017 | Un commentaire

Le 17 août 2017, les interféromètres LIGO et Virgo ont détecté les ondes gravitationnelles émises vraisemblablement par la collision de deux étoiles à neutrons. Cet évènement a fait beaucoup moins de bruit médiatique que les premières ondes gravitationnelles détectées par LIGO en 2015 lors de la fusion de 2 trous noirs (voir ce billet).

Eh oui, tout le monde connait les trous noirs, ça fait un peu rêver, à la frontière entre réel et science-fiction mais les étoiles à neutrons sont tout aussi intrigantes de par leurs caractéristiques proches de celles des trous noirs, à la différence près que nous pouvons « voir » ces étoiles particulières…

Les étoiles à neutrons sont des cadavres

En tout premier lieu, soyons clairs, les étoiles à neutrons ne sont pas vraiment des étoiles mais des cadavres d’étoiles. En effet, une étoile est définie en astronomie comme un ensemble de gaz aggloméré par gravitation au point de déclencher une réaction de fusion thermonucléaire : les étoiles transforment ainsi l’hydrogène dont elles sont majoritairement composées en hélium.

Quand les étoiles n’ont plus assez de combustible, c’est la mort de l’étoile. Si cette dernière est assez grosse, au moins 8 fois plus grosse que notre soleil, cette mort se manifeste sous forme d’une supernova, c’est-à-dire une gigantesque explosion très lumineuse dans le ciel qu’on peut même parfois voir en plein jour. Plus l’étoile est grosse, plus la supernova est impressionnante.

La supernova la plus connue: la nébuleuse du crabe, prise par le télescope spatial Hubble.

Toute la matière de l’étoile originelle est alors dispersée aux alentours (c’est d’ailleurs la raison pour laquelle vous pouvez dire que « votre grand-mère est une super nova », explication ici) et dans le cas des plus grosses étoiles, cette supernova peut donner naissance à une étoile à neutrons, voire à un trou noir si l’étoile est encore plus grosse. En gros, l’étoile à neutrons est l’objet céleste le plus dense qu’il nous est donné de voir, à la limite du trou noir où la densité de matière ne permet plus à la lumière de s’échapper.

A quoi ressemble une étoile à neutrons

Les chiffres des étoiles à neutrons peuvent donner le vertige. L’étoile à neutrons n’est pas très grande, on peut même dire qu’elle est ridiculement petite pour un objet céleste, soit un peu plus de 20 kilomètres de diamètre mais sa masse est comprise entre 1,4 et 3,3 fois celle du soleil (1,5 milliards de milliards de milliards de tonnes). Si vous en preniez un centimètre cube, un petit dé à coudre, il pèserait environ 1 milliard de tonnes !! Enfin, vous avez compris, une étoile à neutrons, ce n’est pas très gros mais c’est lourd !

Les étoiles à neutrons ne sont pas exclusivement faites de neutrons. Une telle étoile est composée de plusieurs couches, qui sont de plus en plus denses quand on se rapproche de son centre. Les chercheurs sont assez d’accord pour les couches externes mais ça se corse pour le centre de l’étoile où la physique actuelle commence à toucher ses limites. Selon la masse de l’étoile, certains chercheurs pensent que plusieurs compositions sont possibles avec pas moins de 6 variantes mais ces structures peuvent être sujet à débat (étoiles à neutrons classiques, étoiles à neutrons avec condensat de pions, étoiles à quarks, étoiles étranges, étoiles à nucléons, étoiles à hypérons).

Les différentes couches d’une étoile à neutrons avec les différentes variantes pour le centre (W. Becker).

Pulsars et magnétars

Les étoiles à neutrons tournent sur elles-mêmes à grande vitesse et cette rotation s’accompagne d’un intense jet de lumière radiofréquence dans un axe bien particulier à chaque rotation de l’étoile : on parle alors de pulsar qui « pulse » cette lumière régulièrement. Ces astres sont comme les phares de l’univers qui balayent l’hyper-espace de leurs faisceaux lumineux intenses à fréquences fixes.

On trouve des pulsars dans des restes de supernovas, le plus célèbre étant le pulsar de la nébuleuse du Crabe, né de l’explosion d’une étoile massive. Cette supernova fut observée par les astronomes chinois depuis le matin du 4 juillet 1054, en plein jour pendant trois semaines et durant la nuit pendant près de deux ans.

La rotation de l’étoile à neutrons, jusqu’à près de 100 tours par seconde, génère un champ magnétique titanesque qui peut atteindre 100 milliards de teslas. A titre de comparaison, le plus puissant aimant fabriqué par l’homme génère un champ d’environ 20 teslas et le champ magnétique de la Terre est de 45 millionièmes de teslas… On parle alors de magnétar (abbréviation de magnetic star = étoile magnétique).

Evolution comparée des vitesses de rotation d’une étoile à neutrons isolée, dans un système binaire et d’un magnétar. (source)

Il arrive aussi qu’une étoile à neutrons tourne autour d’une autre étoile, c’est un système binaire. Si cette deuxième étoile, aussi appelée compagnon, est également une étoile à neutrons, c’est un pulsar double, mais un seul objet de ce type a été découvert à ce jour. Ces objets sont fondamentaux pour les physiciens car ils permettent de valider des théories comme la relativité générale dans des cas extrêmes. Jusqu’à présent, Einstein tient bon : la relativité générale n’a jamais été mise en défaut et ces nouvelles détections d’ondes gravitationelles produites lors de la colascence de 2 trous noirs ou 2 etoiles a neutrons sont un succès.

Simulation de la collision de 2 étoiles à neutrons par la NASA (j’adore :-D)

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Venenum : une expo envoutante à la Confluence

Publié le 16 septembre 2017 | Écrire un commentaire

Vendredi dernier, 08 Septembre 2017, nous étions conviés (nous, Benjamin et Noémie qui écrivons ce billet à quatre mains), en tant que blogueurs scientifiques à une petite visite guidée de l’exposition temporaire « Venenum » au musée des Confluences à Lyon. C’était la quatrième fois que nous nous rendions dans ce superbe musée, et c’est toujours un bonheur.

Le musée des confluences, situé au point de rencontre entre le Rhône et la Saône à Lyon.

Cette expo pluridisciplinaire est dévouée aux poisons et autres substances vénéneuses ou venimeuses comme son nom, volontairement polysémique, l’indique.  La chargée d’exposition nous a d’ailleurs raconté que ce titre, « venenum », a tout d’abord fait hérisser quelques cheveux mais fonctionne bien au final pour cette exposition qui fait un carton : déjà 200 000 visiteurs depuis avril 2017 et l’expo a donc été prolongée jusqu’en avril 2018 (jusqu’au vendredi 13 pour être exact !).

La pomme

Tout commence avec une pomme aux effluves numériques semblant empoisonnés, visible tout le long de l’exposition grâce à des jeux d’ouvertures et une exploitation de l’espace en diagonale. Cette scénographie soignée construit une ambiance « venenum » et met aussi ainsi physiquement en scène la transversalité de l’exposition qui confronte histoire, sciences de la nature et du vivant (chimie, pharmacologie, zoologie, botanique), ethnologie, physique, etc.

La pomme empoisonnée, assortie de lumière verdâtre, avec des jeux d’émanations virtuelles qui évoquent aussi bactéries et autres mystères fantastiques…

En voyant cette pomme, la première intuition amène à l’esprit Blanche-Neige ou le jardin d’Eden mais nous, nous n’oublions pas Alan Turing. Turing est l’un des pères de la logique moderne et des calculateurs (les futurs ordinateurs !), c’est lui qui cassera le code de chiffrement allemand de la machine Enigma pendant la seconde guerre mondiale pour permettre aux alliés de gagner la guerre plus rapidement que prévu (en effet, on estime que la guerre a été raccourcie de 2 ans grâce aux messages codés allemands rendus déchiffrables). Eh bien pour le féliciter, les anglais le condamneront à la castration chimique, car il était ouvertement homosexuel, et il se suicidera en croquant une pomme imbibée de cyanure quelques années plus tard. Un classique pour ce fan de Blanche-Neige…

La chargée d’exposition nous raconte par ailleurs que le musée a reçu un appel téléphonique cocasse d’une mère affolée car son enfant, qui avait bien évidemment, comme presque tous les individus normalement constitués, touché la pomme de l’exposition, présentait à présent des maux de ventre… Bref, vous l’avez compris, c’est une expo dangereuse et nous avons bravé maints dangers pour ramener nos photos sur ce blog !!

Vénéneux, Venimeux, ou toxique ?

La question est classique, mais la réponse pas toujours évidente pour tout le monde :

  • Est venimeux tout organisme capable d’injecter un venin (toxines, enzymes) de manière délibérée à un potentiel adversaire ou prédateur. Par exemple, les scorpions, les guêpes, certaines araignées, etc.
  • Est vénéneux toute substance ou organisme possédant du venin toxique pour quiconque l’ingère ou le touche dans certains cas. Par exemple, certains champignons ou végétaux, certaines grenouilles ou encore certains poissons.
  • Est toxique toute substance pouvant faire du mal à un organisme vivant. Donc tout ce qui est venimeux ou vénéneux est par définition toxique, en incluant aussi des minéraux comme le plomb, le mercure, le radium, etc.

Une des questions qui nous taraude est « quel est l’organisme vivant le plus dangereux ? ». Eh bien nous sommes ressortis de l’exposition avec notre question ouverte car la réponse est tout simplement impossible à donner puisqu’il n’existe pas de quantification scientifique normée pour les venins et autres poisons. On notera d’ailleurs qu’on entend souvent parler du « plus mortel des animaux » pour parler d’un serpent ou d’un poisson alors que cette phrase n’a tout simplement pas de sens (que prend-on ? Le nombre de victimes, la fulgurance d’un venin, sa quantité ?). La chargée d’exposition nous expliquera d’ailleurs qu’au début ils avaient pensé à faire une sorte « d’échelle de dangerosité » pour chaque animal, plante ou minéral mais qu’ils avaient vite abandonnée l’idée devant la complexité et les désaccords entre les différents intervenants.

Cependant, nous aimons à penser qu’on pourrait considérer une telle échelle pour chaque substance chimique en les classant selon la masse nécessaire pour tuer un homme adulte bien portant de 70 kg. Après il faut aussi prendre en compte le temps d’action et le mode d’inoculation (toucher, inhalation, ingestion, intraveineuse, etc.), Enfin bref, ça peut vite être compliqué mais si on considère simplement l’ingestion sans prendre le temps en compte, on obtient un truc du genre :

  • 0,001 mg de toxine botulique
  • 7 mg d’amatoxines
  • 14 mg de strychnine
  • 70 mg de ricine
  • 420 mg de cyanure

A méditer…

Des tableaux, des animaux naturalisés… et vivants !

Cette expo n’est pas comme les autres de par sa nature pluridisciplinaire et « multi-supports », si on peut parler de « support » dans ce cas précis. En effet, on peut y rencontrer des tableaux antiques comme la mort de Cléopâtre mordue par un aspic (les tableaux ne sont pas des reproductions, comme le pensent certains visiteurs en raison de la relative proximité avec les œuvres…), des « poissons ballons » naturalisés (comme le fugu pour lequel les cuisiniers japonais doivent impérativement suivre une formation pour préparer ses filets sans risquer de liquider la tablée) mais aussi une mygale vivante ainsi que dix autres espèces toxiques bien vivantes (veuve noire, grenouille bleue « Dendrobate azureus »…). Il aura fallu près d’un an d’autorisations et de paperasses pour que l’exposition ai le droit de présenter ces animaux au public dans un musée qui n’est ni un zoo ni un vivarium (et ne prétend pas le devenir !).

Un « poisson ballon » venimeux naturalisé dans le musée

Les empoisonneuses

L’expo parle bien entendu des empoisonneuses à travers les âges, un des archétypes (sexiste) de la femme, potentiellement sournoise et mauvaise, qui a fasciné et fascine toujours, de l’antiquité à nos jours (cf exposition « présumées coupables » aux archives nationales cette année).

Les anecdotes sont ici souvent croustillantes, et macabres…

Nous, nous aimons bien cette empoisonneuse bretonne du 19ième siècle, Hélène Jédago, présentée dans les médias comme la plus grande tueuse en série de l’histoire de France qui possède une soixantaine de personnes empoissonnées à son actif. Il parait que sur une simple remarque désagréable, cette cuisinière pouvait vous concocter un petit gâteau à l’arsenic dans la foulée…

Il y a encore la jeune Marie Lafarge, qui s’emmerde ferme en Corrèze dans une cahute pleine de rats (tiens, de la mort aux rats), et de peu plaisants beaux-parents, et occit son mari avec un gâteau à la crème. Enfin, rien n’est tout à fait sûr, l’expertise médico-légale en est alors à ses balbutiements et les conclusions des chimistes s’opposent dans cette affaire, même si le célèbre Orfila (pionnier de la toxicologie médico-légale) aura le dernier mot.

« C’était grand-mère l’empoisonneuse ! » Détective, n° 497, 9 janvier 1956.

Des poisons au quotidien

Une partie de l’expo est dédiée aux poisons qui nous entourent. En effet, tout le monde est exposé à des poisons quotidiennement et ce depuis fort longtemps. Il y a notamment des substances vénéneuses comme la mort aux rats autrefois faite à base d’arsenic (elle est désormais faite à partir d’anticoagulants) et qui était très courante pour éliminer les rongeurs ou divers membres de sa famille afin d’accélérer un peu les successions. Il parait qu’avec la création des assurances vies, les ventes de mort aux rats ont été boostées…

On peut citer également les intoxications au plomb qui étaient un classique chez les enfants via les petits soldats de plomb, les peintures[1] ou les canalisations, et qui provoquent le saturnisme. Sans parler de l’amiante qui était omniprésente dans les constructions, le radium et autres éléments radioactifs utilisés au début de leur découverte dans des produits de beauté (ils symbolisaient le « Progrès »), les pesticides, les perturbateurs endocriniens et autres éléments de notre environnement moderne. La pollution en général est une question d’empoisonnement de la nature et de l’homme à petit feu et qui est bien plus subtil que la mort aux rats du siècle dernier. L’expo interroge la définition du poison, la multiplicité de la notion… Même si nous verrons après que parfois, ce qui tue peut aussi guérir.

La crème de beauté « Tho-Radia » était composée de thorium et de radium (2 éléments hautement radioactifs) , et vendue entre 1932 et 1937, date à laquelle il est devenu interdit de commercialiser en France des produits contenant des éléments radioactifs.

Nous aimons bien aussi la petite anecdote écologique qui explique qu’après la première guerre mondiale, les stocks de gaz moutarde (hautement toxique et mortel pour l’homme) ont été réutilisés dans les champs français pour tuer les rongeurs et augmenter les rendements de l’agriculture d’après-guerre.

« La destruction des mulots par les gaz asphyxiants ; essais dans l’Aube. » (article de presse, collection particulière du Musée des Confluences, 1923).

[1] L’anecdote de Michel Pastoureau sur Napoléon probablement mort à Sainte-Hélène suite aux inhalations d’un pigment toxique mérite ici d’être évoquée. Le « vert de Schweinfurt » (fabriqué avec du cuivre dissous dans de l’arsenic), dont il est friand et par ailleurs très à la mode alors, recouvre les murs de sa résidence, imprègne tentures et tapisseries. Ce vert « arsenisé » fait très mauvais ménage avec l’humidité du lieu où ses composants s’évaporent… Au 19ème, un certain nombre d’accidents mortels ont lieu en Europe, notamment dans les chambres d’enfant (M. Pastoureau, Vert, histoire d’une couleur, Paris, Seuil, 2013).

Des venins pour soigner

Par ailleurs, depuis longtemps, les poisons sont aussi utilisés à des fins thérapeutiques et sont présents chez les apothicaires. Ils peuvent posséder des vertus soignantes à faible dose tout en étant mortels à plus forte dose. C’est le moment de citer la célèbre maxime « Tout est poison, rien n’est poison : c’est la dose qui fait le poison ». Plusieurs recherches sont d’ailleurs actuellement en cours pour faire de nouveaux médicaments à base de venin, par exemple avec du venin de mygale pour synthétiser un puissant analgésique dans un futur proche.

Etagère d’apothicaire lyonnais possédant de nombreux poisons comme la Ciguë par exemple.

En conclusion, nous vous invitons fortement à aller visiter cette expo venenum avant sa fermeture en avril 2018 et vous suggérons d’en profiter pour faire un tour dans ce gigantesque musée qui traite des sciences et de l’homme dans toutes ses dimensions.

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Publié dans Science et société

Le CERN en 13 photos de 2016

Publié le 1 janvier 2017 | Un commentaire

Bonne année 2017 !

Pour commencer l’année, voici ma sélection d’une photo par mois prises en 2016 au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), pour parler un peu de tous les projets, et pas seulement de l’accélérateur de particules LHC. Vous noterez néanmoins que 3 photos sont liées au HL-LHC qui rentrera en service en 2026 et constituera une amélioration majeure du LHC.

Mais avant tout, voici ma photo préférée hors catégorie pour 2016 : une photo prise en Novembre 2016 du calorimètre 4-Pi de nTOF EAR1. Cette expérience de physique s’intéresse au temps de vol des neutrons pour déterminer avec précision leur énergie cinétique et ainsi mieux les comprendre. Ces neutrons sont produits à partir de collisions entre un faisceau de protons pulsé de 20 GeV/c du Proton-Synchrotron (PS) et d’une cible fixe de spallation en plomb. Après 185 mètres de vol, les neutrons arrivent dans ce calorimètre pour mesurer leur énergie.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Janvier 2016

Transport du TDI pour HL-LHC. Le TDI (Target Dump Injection) permet d’absorber les éventuelles pertes de faisceau lors de son injection entre une ligne de transfert et un accélérateur. Cet élément est ainsi une protection de la machine pour éviter d’éventuels dommages occasionnés par le faisceau si son insertion dans la machine est défaillante.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth

Février 2016

Installation de la cellule plasma de AWAKE dans l’ancienne zone souterraine de CNGS. Voir mon billet de l’année dernière sur AWAKE qui accélèrera très prochainement des électrons par effet sillage dans un plasma de rubidium à partir d’un faisceau de protons de 400 GeV provenant du SPS.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Mars 2016

Test de modules pour HIE-ISOLDE en salle blanche au SM18. Isolde est une expérience de séparation d’isotopes pour produire des éléments exotiques. HIE-ISOLDE permettra de ré-accélérer à hautes énergies (jusqu’à 5,5 MeV/u) des faisceaux d’ions radioactifs créés à partir de collisions entre un faisceau de protons de 1.4 GeV issu du PSB (Proton-Synchrotron Booster) et d’une cible fixe.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Avril 2016

Prototype d’écran de faisceau pour le FCC-hh. Vous connaissez ce projet d’accélérateur de particules de 100 km de circonférence ? C’est le FCC (Future Circular Collider). Voir ce billet de juillet 2015 pour plus d’informations. L’écran de faisceau permet de capturer toutes les sources de chaleur (lumière synchrotron, courant image, nuage d’électrons) issus du faisceau pour limiter les charges thermiques sur les aimants supraconducteurs refroidis à très basse température tout en assurant un vide extrême dans le tube faisceau.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Mai 2016

Premier câble supraconducteur en niobium-étain pour le HL-LHC en train d’être fabriqué à l’aide d’une machine Rutherford au bâtiment 163. Ce câble sera utilisé dans un dipôle de 11 Teslas ! Les câbles supraconducteurs des aimants du LHC sont actuellement tous en niobium-titane et produisent un champ magnétique de 8 Teslas. A partir de 2026, le HL-LHC possèdera 8 nouveaux dipôles de 11 Teslas et 24 nouveaux quadrupôles de 12 Teslas autour des points de collisions de ATLAS et CMS. C’est plus de 1 km de LHC qui sera remplacé.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Juin 2016

Un bébé faucon sauvé par un employé sur un parking du CERN à Meyrin. Il a été remis aux autorités compétentes pour le nourrir et le protéger. Il sera ensuite remis en liberté dans la région.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth

Juillet 2016

Le groupe de rock « MUSE » visite le Centre de Contrôle du CERN (CCC) en présence de Mike Lamont, le chef de l’opération des accélérateurs (à gauche). C’est depuis cette salle que tous les accélérateurs et leurs infrastructures sont pilotés 7j/7 et 24h/24. Le CERN reçoit régulièrement des « VIP » souhaitant visiter ses installations et le CERN reçoit au total plus de 100 000 visiteurs par an !  Si l’envie vous prend, n’hésitez pas : https://visit.cern/

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Aout 2016

Salle de contrôle du centre de calcul (bâtiment 513). Tout est « vert » : les données issues des collisions des détecteurs du LHC sont en sécurité.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Septembre 2016

Expérience ALFA, au point 1 du LHC (détecteur ATLAS). ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) est constitué de 4 « pots romains » (2 de chaque côté du point de collision) qui permettent de mesurer la luminosité lors des collisions élastiques de protons dans le détecteur ATLAS. Ces collisions élastiques n’ont lieu que lorsque les faisceaux se croisent avec un angle très faible dans le LHC (avec un très grand beta*). Dans ce cas, les protons se « traversent » l’un l’autre tout en restant intacts mais en changeant de direction. Un article récent du bulletin du CERN explique tout cela assez clairement. Extrait: « L’objectif de physique de l’expérience ATLAS/ALFA consiste également à réaliser une mesure précise de la section efficace proton-proton totale, puis d’utiliser cette mesure afin de déterminer la luminosité absolue du LHC au point 1 pour l’exploitation avec un bêta étoile de 2,5 km. »

© CERN. Photograph: Suykerbuyk, Ronaldus

Octobre 2016

Fin des travaux de ICARUS au bâtiment 156 avant son transport vers les USA. ICARUS est un ancien détecteur de neutrinos utilisé au laboratoire de Gran Sasso en Italie en collaboration avec le CERN (ancienne expérience CNGS). Ce détecteur a été entièrement « remis à jour » au CERN cette année pour être réutilisé dans deux nouvelles expériences de neutrinos à Fermilab aux USA près de Chicago.

© CERN.Photograph: Steyaert, Didier.

Novembre 2016

Premier faisceau dans le tout nouveau décélérateur ELENA. Eh oui, au CERN, on ne fait pas qu’accélérer des protons, on décélère aussi des anti-protons pour étudier l’antimatière. ELENA permet de décélérer encore plus des anti-protons venant de AD (Antiproton Decelerator) jusqu’à 5,3 MeV.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Décembre 2016

Non ce n’est pas un gâteau d’anniversaire mais un prototype de quadrupôle 12 Teslas pour le HL-LHC imprimé en 3D. Les futurs quadrupôles du HL-LHC permettront de beaucoup plus concentrer les faisceaux qu’avec le LHC pour produire 10 fois plus de collisions dans le même temps. Les imprimantes 3D permettent aujourd’hui de concevoir des prototypes réalistes en peu de temps et à moindre coût avant de passer au prototypage avec les matériaux réels souvent très onéreux.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth.

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Publié dans Phys. Particules/Quantique, Physique

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Le nucléaire au thorium: une « vieille » solution pour l’avenir ?

Publié le 29 décembre 2016 | 6 commentaires

Ce billet est la suite de mon billet Une petite histoire de l’énergie nucléaire. Donc, à lire en guise d’introduction sur les différentes filières nucléaires.

Mais avant de parler du thorium-232 en détail, juste un petit rappel sur les éléments chimiques et leurs isotopes. Le numéro cité après l’élément considéré (232 dans le cas du thorium) s’appelle le nombre de masse et représente le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau (les nucléons). Donc plus le nombre de masse est grand, plus l’élément est lourd. Ainsi, l’uranium-238 possède 3 neutrons de plus que l’uranium-235 et chaque « variété » d’un même élément s’appelle un isotope. A ce jour, 117 éléments ont été découverts  pour 2 934 isotopes. Certains sont explosifs, d’autres corrosifs ou encore inoffensifs. Tous les éléments dont nous sommes familiers (oxygene-16, fer-56, carbone-12, etc.) sont stables dans le temps mais beaucoup d’autres sont instables et donc radioactifs avec des durées de demi-vie variables, de quelques millisecondes à des millions d’années, tout dépend du nombre de protons et de neutrons dans le noyau!

 Le thorium

Le thorium, est un métal lourd radioactif de la même famille que l’uranium (actinide). Il possède 90 protons dans son noyau (contre 92 pour l’uranium) et a une demi-vie radioactive très longue de 14 milliards d’années, soit plus de 3 fois l’âge du système solaire. Sa présence sur Terre est estimée entre 3 et 4 fois plus abondante que l’uranium et est plutôt bien réparti. En France, il y a des gisements en Bretagne et AREVA, le CEA et Rhodia ont déjà 8 500 tonnes de thorium  stockées sur leur étagère via l’extraction d’autres minerais. Selon cette source, une tonne de thorium permettrait en gros de générer 10 TWh d’électricité donc la France a déjà assez de thorium pour subvenir à environ 190 ans d’électricité avec sa consommation actuelle !

Couverture de Science & Vie en Novembre 2011 : Le Nucléaire sans uranium c’est possible. Plus sûr, plus propre… et pourtant ignoré depuis 50ans.

Le forum pour la 4ième génération

La quantité d’uranium dans le monde permettrait de continuer à faire tourner des centrales pour 200 ans environ avec notre production actuelle mais bien entendu, si la production nucléaire augmente (ce qui est hautement probable avec des pays comme la Chine et l’Inde dans la course), ce sera beaucoup moins, les pronostics donnent la fin de l’uranium pour la fin du siècle et nos enfants sont donc concernés !! C’est entre autre pour cette raison qu’un forum nommé « Génération IV » a vu le jour entre 14 pays pour choisir une solution de 4ième génération pour le nucléaire. Aujourd’hui, le réacteur EPR en construction à Flamanville en Normandie fait partie de la 3ieme génération mais appartient toujours à la filière de réacteur à eau pressurisée (REP) et on ne peut pas dire que ce soit une réussite pour l’instant…. Bref, ce forum étudie ainsi 6 nouvelles filières prometteuses pourl’avenir nucléaire: https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_40486/technology-systems.

Dans ces 6 propositions, il y en a une qui mérite notre attention et qui serait à mon avis la seule solution vraiment intéressante pour des raisons de sûreté et de déchets : Les réacteurs à sels fondus au Thorium.

Les réacteurs à sels fondus

Dans ce type de réacteur, le combustible est liquide et sert également de caloporteur. On mélange des éléments fissibles ou fertiles dans des sels fondus et on fait circuler le tout dans le réacteur ou une réaction en chaine peut se produire et générer beaucoup de chaleur suite à la fission de certains éléments. Il y a ensuite 2 grandes variantes de ce type de réacteurs

  • Les réacteurs à neutrons thermiques où un modérateur comme le graphite est indispensable pour ralentir les neutrons et contrôler la réaction en chaine.
  • Les réacteurs à neutrons rapides où aucun modérateur n’est nécessaire. Dans ce cas, ces réacteurs peuvent fonctionner en surgénérateurs, c’est-à-dire qu’ils peuvent produire plus d’éléments fissibles qu’ils n’en consomment en utilisant un élément fertile à la base comme le thorium-232, c’est-à-dire que cet élément peut produire un élément fissible en absorbant un neutron dans son noyau.

Schéma d’un réacteur à sels fondus.

Pour cette raison, un réacteur chargé uniquement avec du thorium ne peut pas démarrer. Pour initier la première fission avec un élement fertile comme du thorium, il faut un élément fissible comme de l’uranium ou du plutonium en quantité non négligeable (plusieurs tonnes pour réacteur de 1 GW) et une fois que c’est partie, le réacteur tourne en cycle fermé jusqu’à consommer pratiquement tous les éléments fissibles qui sont recyclés en son sein. C’est pour cette raison qu’un réacteur de ce type produit beaucoup moins de déchets nucléaires fissibles comme le plutonium et les transuraniens vu qu’il les consomme et surtout il permettrait de nous débarrasser de certains déchets embêtants dont nous ne savons que faire aujourd’hui. A titre d’information, après 70 ans de nucléaire, il y a 500 tonnes (déclarés) de plutonium dans le monde.  On peut d’ailleurs voir ce type de réacteur comme un incinérateur à déchets nucléaires qui a en plus l’avantage de pouvoir faire de l’électricité !

Les premiers à se pencher sur la question du réacteur à sels fondus furent les Américains du Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL) avec le fameux Alvin Weinberg, l’ancien directeur du laboratoire pendant le projet Manhattan. Le réacteur à sel fondu expérimental MSRE fonctionna entre 1965 et 1969, d’abord avec de l’uarium-235 puis avec l’uranium-233 et du plutonium la dernière année, prouvant alors la faisabilité et la viabilité d’un tel concept mais en 1973 le gouvernement américain coupe tous les budgets pour la filière des réacteurs à sels fondus et leur utilisation potentiel avec du thorium pour se concentrer sur la filière uranium exclusivement, plus en phase avec le côté militaire.

Voici un dessin pour vous donner une petite idée de la différence entre un réacteur à sels fondus au thorium et un réacteur à eau pressurisé « standard » à l’uranium. On comprend tout de suite l’intérêt de la chose en matière de quantité de minerai et de déchets.

Comparaison entre combustibles et déchets pour 2 réacteurs de 1 GW utilisant de l’uranium et de l’eau pressurisée en haut et un réacteur à sels fondus au thorium en bas (Source).

Les avantages de cette technologie sur les autres filières nucléaires sont les suivants:

  • Pérennité: Les ressources en thorium sur la Terre sont abondantes, on estime à 30 000 ans notre autonomie.
  • Sûreté: Pas d’emballement du réacteur possible comme Tchernobyl.
  • Sûreté: Combustibles liquides évitant le risque de dégradation et d’explosion des bâtiments comme à Fukushima. Ces explosions sont dues à l’hydrogène dégagé par le zirconium des crayons d’uranium actuels.
  • Sûreté: Pas de haute pression et donc moins de risque (circuit à 1 bar contre 155 bars).
  • Sûreté: En cas de panne de refroidissement : on peut vidanger de liquide dans une cuve isolée sous le réacteur à travers un « bouchon froid » qui fond en cas de panne électrique et éviter une catastrophe comme à Fukushima.
  • Déchets: 10 000 fois moins de déchets à vie longue (transuraniens comme plutonium).
  • Prolifération: Beaucoup plus difficile de faire une bombe atomique à partir de cette filière (mais pas impossible).

Néanmoins, il y a des inconvénients :

  • Démarrage: Il faut un élément fissible comme de l’uranium ou du plutonium au début pour initier la réaction en chaine (mais ce peut être un avantage pour se débarrasser de notre plutonium stocké).
  • Déchets : Il y a beaucoup moins de déchets à vie longue mais cette filière génère tout de même des déchets de fission qu’il faudra gérer sur des centaines d’années ainsi que du protactinium 231 (période : 33 000 ans).
  • Recherche: pour aboutir à un réacteur industriel, beaucoup de recherches sont encore à faire comme cette filière a été abandonnée dans les années 60. Daniel Heuer, directeur de recherche au CNRS de Grenoble et travaillant sur un tel réacteur estime qu’entre 10 et 15 ans de développement sont nécessaires et que si une filière thorium est choisie en 2040, il faudra attendre 2070 pour la voir sur le marché (source).

Au regard de ces avantages indéniables, les Chinois et les Indiens travaillent actuellement sur ce sujet très intéressant pour eux étant donné leurs réserves en thorium importantes comparées aux réserves en uranium mais la route sera encore longue. Il faut déjà qu’ils se réapproprient les connaissances qu’ont accumulé les Américains jusque dans les années 70 avant d’aller plus loin.

Quelques autres alternatives nucléaires

En 1993, Carlo Rubbia, prix Nobel de physique travaillant au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) propose d’utiliser un accélérateur de particules pour démarrer la réaction en chaine dans un réacteur sous-critique (comme un réacteur au thorium) et éviter ainsi la consommation d’uranium ou de plutonium pour démarrer et entretenir la réaction en chaine. On parle alors de réacteur nucléaire piloté par accélérateur (ADS). Ce projet est prometteur mais l’investissement en termes de recherche et d’infrastructures pour un tel réacteur parait actuellement peu envisageable pour l’étape industrielle.

Encore mieux que le réacteur à sels fondus au thorium : le réacteur à fusion thermonucléaire. Dans ce type de réacteur, plus de fission mais de la fusion et donc plus d’éléments lourds hautement radioactifs. Le combustible est quasi-infini (deutérium et tritium), il n’y a aucun déchets radioactif à vie longue (quelques déchets gérables sur une centaine d’années) et aucun risque d’emballement du réacteur (pas de réaction en chaine comme avec la fission). Beaucoup de recherches dans le monde vont dans ce sens comme le fameux projet international ITER en cours de construction à Cadarache dans le sud de la France qui sera une expérience scientifique de fusion nucléaire pour démontrer que cette voie est possible pour l’avenir. Mais ici, les spécialistes parlent d’une industrialisation possible pour la fin du siècle seulement car c’est une machine extrêmement complexe qu’il faut développer mais même s’il faut 100 ans de recherche et de développement pour voir des réacteurs à fusion dans le monde, ça vaut le coup, non, pour sauver la planète ? Vous pouvez lire ici un article sur ITER que j’ai fait il y a 10 ans. Aujourd’hui, c’est en construction et la première réaction de fusion est attendue pour 2025.

Construction du bâtiment principal qui hébergera ITER (photo personnelle prise en Octobre 2016).

Sources:

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Une petite histoire de l’énergie nucléaire

Publié le 23 décembre 2016 | 3 commentaires

Si vous pensiez que l’humanité s’est dite un jour « nous allons investir massivement pour faire de l’énergie d’origine nucléaire de la meilleure manière possible » eh bien vous vous trompiez. Le nucléaire « civil » comme on l’appelle, n’a été qu’une sorte d’opportunité pour servir la fabrication de bombes atomiques. Sans bombe atomique et sans propulsion nucléaire pour les sous-marins militaires, il n’y aurait sans doute pas eu de nucléaire civil tel qu’il est aujourd’hui…

Tout a donc commencé pendant la seconde guerre mondiale avec le programme de nucléaire militaire américain pour fabriquer la première bombe Atomique : le projet Manhattan. Une fois que les politiques et que les militaires ont compris le potentiel de destruction de la bombe atomique, tout est allé très vite… trop vite peut être…

Le tout début

Nos centrales nucléaires actuelles utilisent l’énergie de fission des noyaux atomiques qui a été décrit correctement la première fois à Berlin fin 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann (voir ce billet sur l’énergie nucléaire de fission et de fusion). Dès 1939, en France, Fréderic Joliot-Curie publie avec 3 autres scientifiques un article dans la prestigieuse revue Nature expliquant le phénomène de réaction en chaine de l’uranium et dépose même un brevet le mois suivant sur les possibilités énergétiques et militaires d’un tel phénomène. Mais avec l’arrivé de la guerre, toutes les recherches françaises sur ce domaine sont stoppées en mai 1940.

Aux Etats-Unis, Le président Roosevelt est averti dès 1939 d’une possibilité de bombe atomique par une fameuse lettre en partie signée par un fameux Albert Einstein (qui d’ailleurs avouera plus tard regretter cette lettre). Le projet Manhattan est alors lancé en 1942 et on connait la suite avec son triste aboutissement en 1945 à Hiroshima et Nagasaki. Les USA ont pour cela dépensé l’équivalent de 25 milliards de dollars d’aujourd’hui en seulement 3 ans (imaginez qu’aujourd’hui, le plus grand projet scientifique mondial comme l’accélérateur de particules LHC de 27 km au CERN a coûté 9 milliards de dollars au total avec ses expériences répartis sur des dizaines d’années et une vingtaine de pays et plus de 600 instituts scientifiques de 113 pays). Bref, ce projet de bombe atomique complètement fou a été possible en partie grâce à la mise au point de réacteurs nucléaires permettant de transformer de l’uranium-238 en Plutonium-239, indispensable pour faire une bombe atomique efficace comme Fat Boy larguée sur Nagasaki (celle d’Hiroshima était constitués d’uranium enrichi et présentait à ce titre plusieurs inconvénients). Le premier réacteur nucléaire a ainsi vu le jour en 1942 avec le célèbre Enrico Fermi à Chicago et fonctionnait donc à l’uranium vu que l’objectif n’était pas de faire de l’électricité mais bien produire du plutonium pour la bombe atomique.

Chicago Pile-1 : dessin du premier réacteur nucléaire artificiel construit par Enrico Fermi en 1942 dans le cadre du projet Manhattan.

Du militaire au civil

Après la guerre, les scientifiques et industriels se sont donc intéressés à la possibilité d’utiliser l’énergie nucléaire dans un réacteur pour produire de l’électricité étant donné la gigantesque énergie dégagée sous forme de chaleur lors de la fission nucléaire. L’intérêt du rendement du nucléaire est vite compris : la fission de 1 g d’uranium-235 correspond à 1,6 tonne de fuel ou à 2,8 tonnes de charbon en terme énergétique.

Contrairement à ce que la plupart des gens pensent, ce sont les Russes qui ont les premiers fabriqué et mis en opération un réacteur nucléaire civil raccordé au réseau électrique en 1954 (d’une puissance modeste de 5 MW). Les Français, les Anglais et les Américains inaugureront leurs centrales nucléaires électriques dans les 2 ou 3 années suivantes avec Marcoule en France (7 MW), Sellafield en Grande-Bretagne (50 MW) et Shippingport aux Etats-Unis  (60 MW) en 1957, soit 12 ans après la bombe atomique !!

Mais la guerre froide se profile entre les USA et l’URSS et la course à l’armement nucléaire va nécessiter de grandes quantités d’uranium et de plutonium. Une stratégie commune entre applications militaires et civiles a vite été trouvée et promue par les gouvernements ! Le nucléaire civile va alors battre son plein dans plusieurs pays jusqu’à 1979 qui voit le premier accident « sérieux » de Three Mile Island aux Etats-Unis : le réacteur s’emballe et la moitié de ce dernier fond. La catastrophe est évitée de toute justesse mais 200 000 personnes ont dû évacuer la zone autour de la centrale. A partir de cette date, l’opinion publique aux USA et dans le reste du monde commence à comprendre que cette énergie qui paraissait parfaite peut être dangereuse et le nucléaire civil prend un virage clé dans son histoire. Mais la progression a ensuite repris et c’est bien sûr 7 ans plus tard avec l’accident de Tchernobyl en 1986 que le monde réalise alors vraiment le danger et la progression du nucléaire dans le monde est stoppée nette.

Evolution du parc nucléaire dans le monde (source : AIEA). On voir clairement l’impact de Three Mile Island (1979) et Tchernobyl (1986) qui stoppe la progression du nucléaire.

Les filières nucléaires

Les 4 premiers réacteurs industriels destinés à fabriquer de l’électricité en URSS, en France, en Grande-Bretagne et aux Etats-Unis sont tous basés sur le même combustible : l’uranium. Logique vu que ce sont des réacteurs de ce type qui peuvent produire du plutonium-239 permettant de faire des bombes atomiques…

En fait, pour faire un réacteur nucléaire, les scientifiques ont l’embarra du choix sur les technologies à utiliser : on parle alors de « filière » qui dépend de 3 ingrédients principaux:

  • Le combustible:
    • de l’uranium
    • du thorium
  • Le caloporteur (fluide pour transporter la chaleur) :
    • de l’eau pressurisée
    • de l’eau bouillante
    • du gaz (comme du CO2 ou de l’hélium)
    • du sodium
    • des sels fondus
  • Le modérateur (élément permettant de ralentir les neutrons et permettre une réaction en chaine) :
    • de l’eau ordinaire
    • de l’eau lourde
    • du graphite
    • aucun dans le cas de réacteur à neutrons rapides.

Avec un peu de mathématique de base, on peut ainsi dénombrer ici 2x5x4 = 40 grands types de réacteurs différents (sans compter les centaines de petites variantes possibles). Il faut alors faire un choix mais pas n’importe lequel car quand on s’embarque dans une filière, difficile de faire machine arrière. En effet, l’énergie nucléaire n’est pas à la portée de tout le monde et est très difficile à mettre en place. Si on considère l’argent, le temps, la recherche, les technologies, la politique, l’écologie et la sûreté qui doivent être mis en place à l’échelle d’un pays entier, le choix de la filière est extrêmement important. Sauf que si on considère la question militaire en même temps, le choix devient beaucoup plus simple… Et dans ce cas, les questions d’écologie et de sûreté sont reléguées derrière la priorité militaire…

C’est en partie pourquoi tous les réacteurs nucléaires dans le monde utilisent de l’uranium comme combustible de base et 63 % sont des « REP » : Réacteurs à Eau Pressurisée qui présentent en plus l’avantage d’être plutôt compacts en utilisant de l’eau ordinaire et donc parfaitement adapté pour propulser un sous-marin qui a de l’eau facilement à disposition ! Sur les 438 réacteurs nucléaires dans le monde en fonctionnement aujourd’hui, voici la répartition :

  • 279 à eau pressurisée (REP) dont font partie Three Mile Island et Fukushima,
  • 78 à eau bouillante (REB),
  • 49 à eau lourde pressurisée (PWHR),
  • 15 refroidis au gaz (GCR),
  • 15 à l’eau et au graphite (RMBK) dont fait partie Tchernobyl,
  • 2 réacteurs à neutrons rapides (RNR) pour études scientifiques.

Et vous constaterez qu’il y en a zéro utilisant du thorium avec des sels fondus comme caloporteur alors que ce type de réacteur avait été pressenti par tous les spécialistes dans les années 60 comme la meilleure solution pour produire de l’électricité en termes de déchets et en termes de sûreté (comme Alvin Weinberg, l’ancien directeur du laboratoire américain d’Oak Ridge ayant participé au projet Manhattan). Mais un réacteur à base de thorium ne produit pas de plutonium pour fabriquer des bombes et c’est bien là tout le problème de notre histoire, mais il n’est peut-être pas trop tard !

La suite dans le prochain billet pour plus de précisions sur les réacteurs à sels fondus utilisant du thorium qui pourraient être une meilleure solution dans l’avenir.

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Les ondes gravitationnelles et l’interféromètre LIGO

Publié le 14 février 2016 | Un commentaire

A moins que vous ne viviez reclus, vous n’avez pas pu passer à côté de la nouvelle annoncée par l’expérience LIGO cette semaine: des ondes gravitationnelles ont été directement détectées.

Aerial5Vue aérienne de LIGO sur le site de Hanford (état de Washington, Etats-Unis). Source : LIGO.

Si vous n’aviez jamais entendu parlé de ces ondes gravitationnelles auparavant, c’est tout simplement parce que cela fait bien longtemps qu’on suppose leur existence et elles avaient même été déduites à partir de mesures indirectes sur un pulsar binaire en 1974 (ce qui d’ailleurs valut un prix Nobel à ses auteurs). L’existence de ces ondes découle directement de la relativité générale d’Einstein de 1916. On peut dire que la mesure directe de ces ondes permet d’enfoncer un peu plus le clou de la relativité générale qui constitue toujours aujourd’hui la théorie la plus avancée pour décrire la gravité: elle n’a jamais été mise en défaut ! Ce n’est donc pas une « découverte » au sens strict mais plutôt une confirmation expérimentale directe.

Si on fait le rapprochement avec la détection du Boson de Higgs au CERN en 2012, c’est un peu pareil car le Higgs avait été prédit depuis les années 60 et a permis de valider un peu plus le modèle standard (le modèle qui explique la matière et ses interactions, sauf la gravité…). Cependant, le boson de Higgs a été déduit de manière indirecte car c’est le produit de ses désintégrations qui a été détecté par des détecteurs, contrairement aux ondes gravitationnelles qui ont directement « excité » les détecteurs de LIGO au mois de Septembre 2015.

Un peu de théorie

Dans la relativité générale, l’espace et le temps sont liés dans une même structure : l’espace-temps. Dans cette structure, tout objet ayant une masse déforme l’espace-temps et si cet objet est accéléré fortement, il peut perturber cette structure selon sa forme, sa direction et sa vitesse. De cette manière, une vague le long de l’espace-temps peut se propager à la vitesse de la lumière et c’est cette vague dans l’espace-temps qu’on appelle « onde gravitationnelle ». Pour induire une onde détectable par nos moyens de mesure sur Terre, le cas idéal serait deux objets très massifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons qui tourneraient autour d’un point situé entre ces 2 objets. C’est exactement ce qui se passe dans ce qu’on appelle en astrophysique des systèmes binaires composés de 2 étoiles à neutrons ou de 2 trous noirs tournant l’un autour de l’autre et se rapprochant au fur et à mesure jusqu’à se rencontrer (coalescence). C’est visiblement d’une telle coalescence que l’onde gravitationnelle détectée par LIGO était issue.

etoile binaireSystème binaire de 2 étoiles (source : Wikipédia)

Un peu d’expérimentation

La question est simple mais la réponse l’est moins : comment détecter le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre ? On peut reformuler cette question comme: comment mesurer une déformation locale de notre espace-temps sur Terre ?

Eh bien, une solution consiste à mesurer la distance entre 2 points et de voir si cette distance serait par hasard soudainement allongée puis rétrécie. Si on double cette expérience de mesure à 2 points du globe et qu’on détecte un allongement/rétrécissement dans ces 2 expériences avec un intervalle de temps égal au temps nécessaire à la lumière pour parcourir cette distance, alors on pourra émettre l’hypothèse qu’une onde gravitationnelle a traversé les 2 expériences car une telle onde doit se propager à la vitesse de la lumière. C’est exactement ce que vient de réaliser LIGO aux États-Unis entre Hanford (état de Washington) et Livingston (état de Louisiane) qui sont distants de 3000 kilomètres et qui ont détecté une onde sur leurs détecteurs à 7 ms d’intervalle. Vous allez me dire que dans ce cas, l’intervalle devrait être alors de 10 ms pour parcourir 3000 km, pas 7 ms, mais l’onde gravitationnelle ne se propage pas forcément perpendiculairement aux 2 expériences mais de biais et donc, le décalage temporel permet également de compléter d’autres données pour trouver dans quelle direction cette onde a été émise. Dans le cas de l’onde détectée par LIGO, ce serait un point dans l’hémisphère sud en direction du grand nuage de Magellan (mais beaucoup plus loin, à environ 1 milliard d’années-lumière).

Interféromètre de Michelson

Pour détecter cette perturbation d’espace-temps entre 2 points, les scientifiques ont construit deux interféromètres de Michelson géants. Le fonctionnement d’un interféromètre Michelson est relativement simple à comprendre car il est simplement constitué de 2 miroirs placés perpendiculairement et d’une lame semi-transparente appelé séparatrice en son centre (plus une autre lame compensatrice si on travaille avec de la lumière blanche). On réalise d’ailleurs fréquemment cette expérience dans les salles de travaux pratiques à l’université ou en école d’ingénieur dans le cadre des cours d’optique ondulatoire pour comprendre le phénomène d’interférence.

Michelson-Morley_experiment_conducted_with_white_lightInterféromètre de Michelson (source : Wikipédia)

La lumière se comporte (parfois !) comme une onde et à ce titre, certaines ondes peuvent se « superposer » et former ainsi des figures d’interférence. Si on fait passer dans un interféromètre de Michelson un faisceau laser, on obtient 2 ondes avec la séparatrice et lorsque les 2 ondes se recombinent après avoir été renvoyées par les miroirs, on induit un déphasage entre les 2 ondes en fonction de la distance entre les miroirs et la séparatrice, ce qui provoque une interférence. Cette interférence apparait sous forme de franges de différentes couleurs selon la source de lumière utilisée. Ces franges sont fonction de la distance entre les 2 miroirs et donc lorsque la distance change, les franges bougent car les 2 ondes de lumière interfèrent différemment. Je me souviens parfaitement de cette expérience pendant mes études d’ingénieur et j’avais trouvé ça incroyable de pouvoir voir aussi facilement le phénomène d’interférence qui s’opère à une échelle si petite.

LIGO : le dispositif

Le concept d’interféromètre est donc assez simple mais pour atteindre la précision souhaitée pour détecter des ondes gravitationnelles, c’est un véritable tour de force car ces interféromètres qui mesurent 4 kilomètres de long doivent pouvoir mesurer une différence de distance de 10-18 m, soit un milliardième de milliardième de mètre ou encore le dix millième du diamètre d’un proton !! Le rapport de distance à mesurer est donc de 1021, ça revient à mesurer une différence de 1 centimètre entre la Terre et l’étoile la plus proche de notre système solaire (Proxima du Centaure située à 4 000 années-lumière). C’est juste incroyable !

Tout d’abord, LIGO possède bien des bras de 4 kilomètres mais en fait, la lumière en parcourt 1600 entre le miroir et la séparatrice car entre les 2, les scientifiques ont rajouté ce qu’on appelle une cavité de Fabry-Perrot dans laquelle le faisceau fait 400 aller/retours histoire de rallonger artificiellement les bras et donc d’améliorer la sensibilité du dispositif.

Basic_michelson_with_FP_labeledSchéma de principe de LIGO. Source : LIGO

Ensuite, les miroirs de 34 cm de diamètre et pesant 40kg chacun sont suspendus à un quadruple pendule géant qui permet de stabiliser les miroirs pour s’affranchir des vibrations du sol et des microséismes. Finalement, c’est bien entendu un LASER très perfectionné de 200 W dans le proche infra-rouge qui est utilisé comme source lumineuse et le faisceau voyage dans une enceinte à vide de 10 000 m3 qui est maintenue à une pression de 10-8 mbar pour éviter toute perturbation.

ligo_suspension

Schéma du quadruple pendule stabilisant les miroirs de LIGO. Source : LIGO.

Au final, il s’agit donc de détecter un signal d’écartement des miroirs au-dessus d’un bruit de fond produit par toutes les petites imperfections du système et de l’environnement et c’est ce qui s’est passé ! Ce qui est incroyable c’est que la forme du signal détecté est véritablement ce à quoi les scientifiques rêvaient: une oscillation qui grandit petit à petit et qui augmente en fréquence jusqu’à s’éteindre soudainement. Cela correspondrait à deux trous noirs qui tourneraient autour l’un de l’autre en se rapprochant de plus en plus vite jusqu’à fusionner pour ne faire qu’un. On flirte avec la science-fiction !

ligo20160211aMesure de l’écartement des miroirs dans les 2 sites de LIGO aux Etats-Unis lors du passage de l’onde gravitationnelle. Source : LIGO.

 La suite de l’aventure…

Eh bien, nous allons peut être pouvoir rajouter une nouvelle particule à notre bestiaire. Si ces ondes gravitationnelles existent bel et bien, cela signifie que la gravité se propage effectivement à la vitesse de la lumière et cette propagation de force peut être associée à une particule vecteur : le graviton. C’est la même chose qu’avec le photon qui « transporte » la force électromagnétique. On peut donc voir LIGO comme un « télescope » mais qui au lieu de détecter des photons, détecte des gravitons, c’est un genre de nouvel astronomie…

Dans les projets avenirs, n’oublions pas que le nouveau LIGO (advanced LIGO) rentre à peine en opération et on peut donc s’attendre à de nouveaux évènements très prochainement. Un projet quasi identique en Europe va bientôt aussi reprendre du service (VIRGO) en Italie près de Pise qui est un autre interféromètre de 3 kilomètres. Il faut aussi mentionner le projet eLISA de l’Agence Spatiale Européenne qui a pour objectif de déployer un interféromètre dans l’espace pour chercher des ondes gravitationnelles également (et on parle ici de faire parcourir 1 million de kilomètres aux faisceaux laser de l’interféromètre..).

A suivre…

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