Cienciaes.com : Supraconducteurs à haute température. Nous avons parlé avec Teresa Puig.

Un courant électrique est un flux d’électrons en mouvement. Lorsque le courant circule à travers un câble conducteur ou à travers un appareil électronique, les électrons rencontrent des obstacles qui empêchent leur libre mouvement, par conséquent ils perdent une partie de leur énergie et génèrent de la chaleur. La société moderne repose sur l’utilisation de l’électricité et les phénomènes qui y sont liés. L’énergie que nous collectons du soleil, du vent ou des cascades, de l’énergie nucléaire ou celle générée dans les centrales thermiques doit être convertie en énergie électrique et transportée sur d’énormes distances jusqu’à ses lieux de consommation, une consommation qui nécessite l’utilisation d’appareils qui directement utiliser l’énergie électrique ou la convertir en d’autres formes d’énergie pour satisfaire nos besoins ou nos caprices. Mais lors de tout ce va-et-vient des électrons d’un endroit à un autre, une partie non négligeable de l’énergie qu’ils transportent, on estime à 10 %, est irrémédiablement perdue.

La science nous a appris qu’il existe des circonstances dans lesquelles l’électricité peut être conduite sans perte, un phénomène qui, s’il pouvait être exploité, pourrait éviter le gaspillage d’énormes quantités d’énergie. Sa découverte est due aux efforts d’un scientifique néerlandais pour se rapprocher le plus possible de la température la plus froide qui puisse exister dans l’Univers : le zéro absolu (0K) ou, en d’autres termes, 273,15 ºC en dessous de zéro.

Au début du XXe siècle, Heike Kamerlingh Onnes, comme on appelait le chercheur, a réussi à développer un procédé permettant de refroidir l’hélium, jusqu’à ce qu’il se liquéfie, à seulement 4,2 K (- 269 ºC). En atteignant des températures aussi basses, la nature a commencé à montrer des propriétés surprenantes, incompréhensibles pour les scientifiques de l’époque.

On sait que lorsqu’un fluide reçoit de l’énergie, sa température augmente jusqu’à bouillir. Ainsi, un récipient avec de l’eau mis au feu, dans des conditions normales, augmente sa température jusqu’à atteindre 100ºC, à partir de ce moment la température se stabilise et toute l’énergie fournie est utilisée dans ce passage de la phase liquide à la phase vapeur. Une propriété très pratique pour cuire un œuf dur sans le brûler. Eh bien, si à la place de l’eau, nous utilisions de l’hélium liquide, la température d’ébullition serait de 269 ºC, en dessous de zéro ! L’hélium peut donc être utilisé pour refroidir d’autres matériaux à cette température très basse.

Lorsqu’Onnes a réussi à liquéfier l’hélium, il a voulu vérifier le comportement d’un conducteur électrique à des températures proches du zéro absolu et, pour ce faire, il a refroidi le mercure et mesuré sa résistance électrique à mesure que la température diminuait. La surprise fut grande de constater que la diminution était progressive mais, lorsque le mercure atteignit 4,2K (- 269 ºC), il y eut un brusque saut et la résistance disparut complètement. Il avait découvert une nouvelle propriété de la matière : supraconductivité.

Kamerlingh Onnes a reçu le prix Nobel de physique en 1913 « pour ses recherches sur les propriétés de la matière à basse température qui ont conduit, entre autres, à la production d’hélium liquide ».

La découverte de la supraconductivité a éveillé l’imagination de nombreuses personnes. Les scientifiques du monde entier ont commencé à rêver de nouveaux matériaux supraconducteurs capables de fonctionner à des températures plus élevées, peut-être à température ambiante. Ils rêvaient d’installations électriques de haute énergie capables de transporter d’énormes courants sans pertes grâce à des câbles supraconducteurs, de systèmes de stockage d’électricité dans des boucles supraconductrices dans lesquelles circulent sans repos des courants, de bobines supraconductrices capables de créer de formidables champs magnétiques, de véhicules flottants qui lévitent sur des aimants supraconducteurs. des bouteilles magnétiques capables de contenir le plasma utilisé dans les réacteurs à fusion nucléaire, de très petits appareils électroniques sans problème d’échauffement, etc.

Mais les attentes se sont vite heurtées à la dure réalité. Les progrès dans la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs furent lents et difficiles. Au cours des 75 années qui ont suivi la découverte de la supraconductivité, de nombreux composés et alliages ont été expérimentés, mais la température critique au-dessus de laquelle le matériau perdait ses propriétés supraconductrices ne dépassait pas 23K (-253ºC). Ainsi, même si tout ce dont on rêvait pouvait se réaliser, la nécessité de refroidir les appareils à des températures aussi basses a empêché le développement attendu.

Tout commence à changer en 1986 avec la découverte d’un nouveau matériau supraconducteur, la céramique, développé par des chercheurs de IBM à Zurich. Un an plus tard, des chercheurs de l’Université de Houston annonçaient la découverte d’un supraconducteur (YBaCuO) dont la température critique était de 98K (-175ºC). Il s’agit d’une découverte extraordinaire car, pour atteindre cette température, on peut utiliser de l’azote liquide, dont le point d’ébullition à pression normale se situe à 77,35 K, beaucoup plus abondant, moins cher et plus facile à obtenir que l’hélium. A partir de ce moment, une nouvelle course s’engage dans la lutte pour la supraconductivité à haute température. Actuellement Le record est de 250K (-23ºC) atteint en 2018.. Cette température existe généralement dans certaines régions de l’Antarctique, mais malheureusement, le nouveau matériau ne se comporte comme un supraconducteur que lorsqu’il est soumis à des pressions extrêmement élevées, ce qui rend son utilisation irréalisable à des fins pratiques.

C’est une chose de découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs, dans les conditions très particulières des laboratoires de recherche, et une autre de démontrer qu’ils sont commercialement viables. Bien que les matériaux supraconducteurs soient actuellement utilisés dans des applications scientifiques spéciales, utilisant l’hélium comme liquide de refroidissement, il existe un manque de développements permettant la production à grande échelle de matériaux supraconducteurs à haute température et pouvant rivaliser en prix et en performances avec les conducteurs métalliques courants. C’est l’objectif des recherches menées aujourd’hui par notre invité dans Talking with Scientists, Teresa Puig Molinachef de Département Matériaux Supraconducteurs et Nanostructures à Grande Échelle dans le Institut des Sciences des Matériaux de Barcelonedu Conseil Supérieur des Recherches Scientifiques (SCCI).

Au cours de notre conversation, Teresa Puig explique les difficultés liées au développement d’un matériau supraconducteur à haute température pouvant être fabriqué en rubans flexibles longs de plusieurs kilomètres, la « haute température » étant celle qui dépasse la température d’ébullition de l’azote liquide. Il Groupe Matériaux supraconducteurs et nanostructures à grande échelle Depuis des années, il recherche des moyens de faire croître des films de matériau supraconducteur d’un micron d’épaisseur sur des rubans flexibles d’un centimètre de large. Leurs recherches leur ont permis de développer des procédés permettant la formation de couches très fines de matériau supraconducteur, sur un support flexible, avec des vitesses de croissance 100 fois supérieures à celles rencontrées actuellement dans des couches épaisses. Le défi est de rendre le processus de fabrication viable et de pouvoir obtenir industriellement des bandes supraconductrices à faible coût et avec des performances élevées afin de pouvoir rivaliser sur le marché avec les conducteurs métalliques actuels. Pour atteindre cet objectif, le Groupe de Teresa Puig a reçu une aide à la Preuve de Concept du « Conseil Européen de la Recherche » :

je vous invite à écouter Teresa Puig Molinachercheur dans le Institut des Sciences des Matériaux de Barcelonedu Conseil Supérieur des Recherches Scientifiques et chef de Département Matériaux Supraconducteurs et Nanostructures à Grande Échelle.