Les supers états : Supraconductivité et Superfluidité

Avant cet article, ça peut être utile de lire préalablement l’article Température et Energie, Puissance

Un fil SUPRAconducteur, un liquide SUPERfluide : des mots qu’on entend de plus en plus dans les revues scientifiques. Même si on ne sait pas ce que c’est, on a le sentiment que ce doit être vraiment génial comme truc : super ! En effet, c’est génial comme principe…

On va commencer par la supraconductivité. Au lycée, tout le monde apprend la loi d’Ohm en électricité : U=R.I  où U désigne une tension, R la résistance et I le courant. C’est à dire que si vous faite passer un courant de 2 ampères dans un fil ayant une résistance de 0,5 Ohm, la tension aux bornes du fil sera de 1 volt ( U=2*0,5 = 1V). Il y a ensuite ce qu’on appelle l’effet Joule : Quand un courant traverse un conducteur (un fil électrique par exemple), de l’énergie est produite sous forme de chaleur. C’est ce qui se passe dans une lampe à incandescence, on fait circuler un courant dans un filament en tungstène qui transforme l’énergie électrique en énergie électromagnétique (lumière) et en  chaleur (le filament atteint environ 2 200°C). Donc si je reprend mon exemple précédent, la puissance dégagée par le fil est de 2 Watts ( P=U*I=R*I²=0,5*4=2W).

C’est un grand problème pour EDF (enfin c’est RTE maintenant qui s’occupe du transport de l’électricité en France, pas EDF). Effectivement, lorsque l’électricité est transportée, de l’énergie se « perd » sous forme de chaleur tout au long des lignes hautes tensions. Si EDF produit 100MWh (MWh = 1 Million de Wattheures, c’est une énergie : 1MWh=3600000000 Joules), seulement 97MWh seront utilisés par les consommateurs, les 3MWh qui reste c’est de la perte en chaleur. Chaque année, 12 Twh (12 milliers de milliards de Wattheures) s’évaporent dans la nature en France. Si vous regardez chez vous le prix du kWh (10 centimes HT en heures pleines, 6 centimes HT en heures creuses environ), multipliez le par 12 milliards et vous avez l’argent que perd EDF chaque année à cause de l’effet Joule, soit près d’un milliard d’euros!! Mais l’effet Joule n’a pas que des inconvénients : il permet de faire griller vos toasts le matin dans votre grille pain par exemple ou de protéger les fils électriques de votre maison (avec ce qu’on appelle un fusible). Les fusibles  sont constitués d’un fil qui va fondre (enfin c’est plutôt une lame métallique qui pivote maintenant mais passons…) si le courant qui passe à l’intérieur est trop important, ceci pour prévenir les incendies électriques (attention un fusible ne protège en rien les personnes, c’est le disjoncteur ça). Enfin EDF se serait bien passé de cet effet Joule !

Tout ça parce que les conducteurs possèdent une Résistance. Bah oui, si un matériau n’était pas résistif et qu’on reprend notre effet Joule : P=R*I² et que R=0 on obtient P=0. Voilà, vous avez compris, c’est un supraconducteur. C’est un matériau qui ne possède pas de résistance électrique (ATTENTION je n’ai pas dit que sa résistance était extrêmement faible, j’ai dit nulle, zéro, nada, niet, que dalle). Nos chers petits électrons se baladent dans le supraconducteur bien gentiment en se tenant la main et ne vont pas voir ailleurs. Vous allez me dire, pourquoi EDF n’utilise pas de supraconducteurs ! Eh bien la réponse est on ne peut plus simple, les principaux matériaux supraconducteurs le deviennent aux alentours de 3K (-270°C). Les supraconducteurs que l’on qualifie de « supraconducteurs à hautes températures » le sont aux alentours de 50K (-213°C). De nombreuses recherches sont faites pour que la température soit la moins basse possible bien sûr !

Pour la superfluidité, c’est la même chose mais au lieu de prendre des électrons qui se baladent, on prend un liquide. On peut assimiler la résistance électrique à la viscosité d’un fluide, un superfluide est donc un fluide dépourvu de viscosité. Pour le moment, le seul superfluide qu’on manipule bien, c’est l’hélium qui se comporte de cette manière à très basse température (en dessous de 2.17K). Pourquoi c’est génial ? Premièrement parce qu’un fluide dépourvu de viscosité conduit la chaleur à merveille (il n’y a pas de perte) donc pour refroidir quelque chose (c’est-à-dire retirer de la chaleur), c’est le must. De plus, il n’y a aucune résistance à l’écoulement : si vous mettez de l’hélium superfluide dans une pièce fermée, il va se répandre, s’écouler partout naturellement (sur les murs, le plafond…). Il n’y a donc aucun frottement entre ce fluide étrange et les objets en contact avec lui et ça pourrait fournir des applications industrielle plus qu’intéressantes, le problème au développement à grande échelle, c’est toujours la température…

Ces deux états ont été découverts très récemment et l’explication de tels phénomènes a récompensé pas mal de prix Nobel ces dernières années. Oui, pour l’explication quantique de la supraconduction et de la superfluidité, il a fallu attendre un paquet d’années et je ne rentrerai pas dans ces détails… Enfin il faut savoir que ça s’explique à l’aide de la mécanique quantique, encore elle !

Pour les applications, la cryogénie est le meilleur exemple pour la superfluidité, c’est-à-dire produire du froid, retirer de la chaleur autrement dit, mais alors très froid ! Pour la supraconductivité les applications pourraient être toutes les choses électriques ayant de grosses pertes Joule à cause de l’importance des courants qui circulent. Evidemment, vu qu’un système cryogénique est nécessaire pour conserver le supraconducteur à très basse température, c’est pas évident. L’application vraiment utilisée est la fabrication d’électro-aimants. Un électro-aimant est une bobine de fil dans laquelle circule un courant ; dans cette configuration, un champs magnétique est créé au sein de la bobine et plus le courant est important, plus le champ magnétique créé est important. Par exemple pour l’accélérateur de particules du CERN et pour le futur prototype de réacteur à fusion nucléaire ITER à Cadarache, des champs magnétiques absolument gigantesques sont nécessaires. Le CERN utilise des champs de 8 Teslas et ITER de 5 Teslas (Enfin ce ne sont pas des valeurs de champs magnétiques mais d’inductions magnétiques, mais vous avez compris : c’est énorme), ces valeurs correspondent à 100 000 fois le champ magnétique créé par la planète Terre et pour créer un champs magnétique de 8T il faut un courant de 13000 Ampères !!! Avec un conducteur classique, il faut un câble ayant le diamètre d’un ballon de foot environ pour qu’il ne fonde pas sous la propre chaleur qu’il dégage alors qu’avec un supraconducteur (qui ne produit pas de chaleur puisque pas de résistance), le câble a le diamètre d’un stylo bille. Niveau gain de place, poids, quantité de matière, on ne peut pas faire mieux, surtout quand il y en a 27km de long, mais bon, évidemment, tout ce bazar doit être maintenu à 2K (-271°C), donc grâce à de l’hélium superfluide dans le système cryogénique, ces deux supers états sont bien utile l’un à l’autre!