Qu’est-ce qui cause les pannes d’électricité? Les physiciens de BIU trouvent la cause – étude

Des pannes d’électricité se produisent en Israël – y compris la semaine dernière – et dans le monde de temps à autre. Plus récemment, ils ont rendu les gouvernements nerveux quant à l’éventuelle implication de cyberattaques. Qu’est-ce qui cause de telles pannes ?

En 2010, le professeur de physique de l’Université Bar-Ilan (BIU) Shlomo Havlin et ses collègues ont publié un article dans la revue Nature proposant que la panne d’électricité brutale à l’origine de la fameuse panne d’électricité de 2003 en Italie était une conséquence de l’interdépendance de deux réseaux. Selon la théorie de Havlin, la dépendance entre le réseau électrique et son système de communication a conduit à des pannes en cascade et à un effondrement brutal.

Les travaux fondateurs de Havlin ont lancé un nouveau domaine de la physique statistique connu sous le nom de “réseau de réseaux” ou “réseaux interdépendants” et ont ouvert la voie à la compréhension et à la prédiction des effets de l’interaction entre les réseaux. Aujourd’hui, de nouvelles découvertes permettent aux études expérimentales de contrôler et de développer davantage les phénomènes multi-échelles des matériaux interdépendants complexes.

La principale innovation du modèle de Havlin est l’existence de deux types de liens, qui représentent deux types d’interactions qualitativement différents. Au sein des réseaux, les liens entre les nœuds décrivent la connectivité, comme l’alimentation électrique ou les connexions de communication.

Qu’ont-ils trouvé ?

Entre les réseaux, d’autre part, les liens décrivent des relations de dépendance dans lesquelles la fonctionnalité d’un nœud dans un réseau dépend de la fonctionnalité d’un nœud dans l’autre.

Les hubs de communication ont besoin d’électricité et les centrales électriques dépendent du contrôle de la communication. Cette dépendance conduit à un effet en cascade, dans lequel la défaillance d’un seul nœud dans l’un des réseaux pourrait entraîner une panne brutale des deux réseaux.

Au cours de la dernière décennie, Havlin et d’autres ont appliqué ce concept à une variété de systèmes abstraits, tels qu’Internet, le trafic routier, l’économie, les infrastructures, etc. Mais étant un théoricien, Havlin n’a pas été en mesure de présenter l’hypothèse sur de vrais systèmes physiques expérimentaux, de sorte que la théorie n’a pas pu être confirmée dans des expériences contrôlées, ni mise en œuvre pour des applications de type dispositif.

Récemment, Havlin s’est associé à un collègue, le professeur Aviad Frydman, un expérimentateur du département de physique de BIU qui se spécialise dans les propriétés électriques des systèmes désordonnés, en particulier les supraconducteurs. Leurs équipes comprenaient le directeur du laboratoire, le Dr Ira Volotsenko, et les étudiants diplômés, le Dr Ivan Bonamassa, Bnaya Gross et Maayan Laav.

La supraconductivité est un phénomène observé dans certains métaux dans lequel la résistance électrique s’annule lorsque le système est refroidi en dessous d’une température critique.

Inspiré par la théorie de Havlin, le groupe de Frydman a développé un système contrôlé de réseaux supraconducteurs interdépendants, une analogie physique avec les réseaux interdépendants impliqués dans la panne d’électricité en Italie.

Les deux réseaux supraconducteurs sont séparés par une couche qui est un isolant électrique, mais permet le transfert de chaleur entre les réseaux, créant ainsi un système de deux types d’interactions. Au sein de chaque couche, les courants électriques représentent des liens de connectivité, tandis que la chaleur circulant entre les réseaux représente des liens de dépendance car elle peut perturber les segments de supraconductivité.

L’étude révolutionnaire établit la première référence de laboratoire de physique pour la manifestation de la théorie des réseaux interdépendants, permettant des études expérimentales pour contrôler et développer davantage les phénomènes multi-échelles des matériaux interdépendants complexes.

Les recherches menées par les deux groupes, qui viennent d’être publiées dans la prestigieuse revue Nature Physics, montrent que si des réseaux séparés et non couplés présentent une transition douce et continue entre un supraconducteur et un métal normal lorsque la température augmente, les systèmes couplés présentent une transition abrupte et discontinue. , comme le prédit la théorie.

Cette recherche a une grande importance dans plusieurs disciplines, y compris la physique fondamentale, la science des matériaux et les applications de dispositifs. En physique fondamentale, l’impact scientifique réside dans la découverte de nouveaux phénomènes physiques liés aux transitions de phase.

Les résultats peuvent également conduire à l’établissement d’un nouveau domaine de métamatériaux en réseau, basé sur des couches couplées avec différentes interactions intercouches présentant de nouveaux phénomènes physiques. La recherche indique également que la panne brutale d’un système de réseau peut être un phénomène souhaitable.

S’il est exploité, il peut être appliqué à l’ingénierie de systèmes d’auto-guérison ou pour concevoir des commutateurs ou des capteurs à haute sensibilité, par exemple, pour la détection d’un seul photon.

Alors que la science des réseaux est issue de la physique en 2000, son développement et ses applications ultérieurs ont profité à presque tous les autres domaines scientifiques et technologiques. La présente étude reconnecte la science des réseaux et la physique.

C’est le premier à démontrer que de nouveaux concepts développés par la science des réseaux peuvent bénéficier de manière significative à la physique, tout en découvrant de nouveaux processus physiques, tels que de nouveaux types de transitions de phase, lors de l’étude de systèmes physiques interdépendants.