Vous avez dit supraconductivité ?


Historique et définition :

Découverte en 1911 par le physicien hollandais Kamerlingh ONNES et son équipe, la supraconductivité est la propriété physique que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance. Ce phénomène n’est possible que si leur température se situe en-dessous d’une certaine valeur appelée température critique (Tc).

Refroidir la matière n’est pas évident et nécessite des procédés de cryogénie délicats qui ont mis du temps à voir le jour. Au début, le niobium était le métal avec la température critique la plus haute (Tc = -264 °C), très proche du zéro absolu. Mais depuis une centaine d’années, des laboratoires du monde entier cherchent en permanence à repousser cette valeur. Ainsi, le record actuel atteint -109 °C avec des composés au mercure sous haute pression. Un facteur 18 a été gagné en moins d’un siècle, les scientifiques ne désespèrent donc pas d’obtenir un matériau supraconducteur à température ambiante !

Outre une résistance électrique nulle, les supraconducteurs expulsent également les champs magnétiques ce qui permet la lévitation. Les propriétés de ces espèces représentent donc un enjeu international très important car les applications sont nombreuses et diversifiées.

La supraconductivité se retrouve ainsi dans l’imagerie médicale (résonance magnétique), les accélérateurs de particules (LHC du CERN), le stockage et le transport de l’énergie électrique, la fusion nucléaire et dans les transports ferroviaires.

Quelques applications à l’avenir prometteur :

–       Le train électromagnétique :

Le train à sustentation électromagnétique est probablement la plus étonnante des utilisations des matériaux supraconducteurs. Il ne roule plus comme les trains conventionnels mais flotte à quelques centimètres au-dessus du sol. Le contact roue-rail est donc supprimé ce qui permet de diminuer les frottements et de ne pas user la voie.

On utilise les champs magnétiques très intenses créés par des bobines supraconductrices refroidies à basses températures grâce à de l’hélium liquide et disposées le long de la voie. Les bobines de lévitation servent à « lever » le train et les bobines de propulsion à le mettre en mouvement. Le champ magnétique créé par ces bobines est de l’ordre de 5 Tesla, soit 100 000 fois le champ terrestre.

La figure suivante montre l’alternance entre les pôles positifs et négatifs nécessaire au mouvement. Il y a donc en permanence une répulsion à l’arrière et une attraction à l’avant.. Pour freiner, il faut tout simplement inverser la polarité.

 

Ce type de train est utilisé notamment en Chine pour assurer la liaison entre l’aéroport de Pudong et la ville de Shanghai. Le Transrapid est ainsi devenu le 1er janvier 2004 la première ligne Maglev (Magnetic Levitation) à usage commercial dans le monde.

Les Japonais, avec leur JR-Maglev détiennent actuellement le record du monde du train le plus rapide avec une vitesse de 581 km/h. Ils ont une bonne maîtrise de cette technologie et souhaitent la développer au Japon mais aussi aux Etats-Unis. De grands projets sont en cours d’étude.

Les performances de ce type de train lui permettent de rivaliser directement avec son concurrent français,  le TGV. Sa consommation électrique est moins importante mais le coût de l’infrastructure nécessaire reste néanmoins un inconvénient majeur.

Les effets sanitaires d’un champ magnétique aussi intense peuvent également se faire sentir. Des études ont révélé qu’une exposition prolongée pourrait causer entre autres des perturbations des défenses immunitaires et des modifications de l’ADN.

Quoi qu’il en soit, les besoins en transport ne cesseront d’augmenter. Cette solution est donc à suivre de près car elle est tout à fait capable de satisfaire les demandes en transport à « très » grande vitesse. Voici à quoi pourrait ressembler le train effectuant la liaison Tokyo-Osaka en moins d’une heure dans environ trente ans, actuellement au stade de prototype :

 

–       Le transport de l’électricité

Une autre application intéressante des matériaux supraconducteurs est évidemment le transport de l’électricité. En effet, leur résistivité étant nulle, les supraconducteurs évitent la perte de courant par effet Joule (dissipation thermique). Ils permettent en outre de faire passer beaucoup plus de courant qu’une ligne classique, et ce dans un câble de section inférieure à celle des câbles conventionnels.

Le transport du courant se fait aujourd’hui uniquement avec des câbles en cuivre ou en aluminium. Leur résistance n’est clairement pas négligeable car les pertes énergétiques avoisinent les 30%, essentiellement sous forme de chaleur. De plus, le cuivre étant très lourd, on le remplace petit à petit par de l’aluminium, plus léger mais plus résistif, ce qui augmente les pertes et oblige à faire passer des tensions plus importantes.

Ainsi, 8 400 kg de câble de cuivre pourraient être remplacés par seulement 110 kg de câble supraconducteur, ce qui faciliterait grandement les travaux d’enfouissement des lignes téléphoniques lors de la complétion d’installations existantes ou de la construction de nouvelles lignes.

Depuis avril 2008, un câble électrique supraconducteur de 600 m de long alimente 300 000 foyers dans l’île de Long Island, près de New York. Fabriqué par l’industriel français Nexans, avec le soutien du département de l’Énergie américain, il permet de transporter une puissance de 574 MW soit quatre fois plus qu’un câble de cuivre classique de même section. Le tout sans émettre ni chaleur ni champ électromagnétique. Cette performance exceptionnelle est due aux propriétés du Bi-Sr-Ca-Cu-O, un matériau supraconducteur à base de cuivre et de bismuth, capable de transporter le courant sans la moindre résistance à condition de le refroidir avec de l’azote liquide à -196 °C, ce qui implique un important dispositif de refroidissement.

Ces progrès seront particulièrement utiles, par exemple dans le cadre du projet Desertec pour transporter le courant sur de très longues distances. Des centrales solaires dans les déserts pourraient ainsi alimenter les réseaux électriques de la Méditerranée et de l’Europe occidentale.

Les besoins en électricité vont devenir de plus en plus importants dans les décennies à venir, véritable période de transition énergétique. L’urbanisation croissante rendra la demande difficile à satisfaire.

Là encore, la supraconductivité permet d’améliorer les performances d’un système tout entier. Il faudra néanmoins encore un peu de temps pour évaluer la viabilité économique de ces solutions.

 

Source : CNRS, www.supraconductivite.fr, Nexans

Crédits photos : OPUS, Physifolies

 

 

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