Supraconducteurs. Avec les attentes congelées?

1990/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Du froid à la chaleur

La lévitation magnétique est l'un des phénomènes les plus spectaculaires de la supraconductivité. La pièce céramique refroidie par azote liquide est maintenue par lévitation de l'aimant en raison du champ magnétique inverse.

Les physiciens savent depuis longtemps qu'à une température proche du zéro absolu (-273°C) la résistance électrique de certains matériaux disparaît. Pour analyser ce phénomène on a utilisé l'hélium liquide, dont la température de fusion est de -269 ºC. Dans le domaine de la médecine et dans d'autres domaines, quelques séances ont été organisées afin de développer l'application industrielle des superconducteurs, mais il fallait surmonter les énormes difficultés. Travailler à ces températures est coûteux d'un côté et les problèmes techniques de l'autre.

En 1986, le panorama a beaucoup changé. Au centre de recherche d'IBM à Zürich, George Bednorz et Alex Müler ont obtenu un matériau céramique supraconducteur à -238°C. Grâce à cela, en 1987, ils ont reçu le prix Nobel de physique.

Cette découverte a conduit les physiciens à rechercher des feux et des flammes de la supraconductivité à haute température dans le monde entier. De nombreux symposiums et réunions ont été organisés sur ce sujet, mais le plus important est certainement celui réalisé le 18 mars 1987 par l'association des physiciens américains. Près de quatre mille physiciens se sont rassemblés dans un hôtel de New York, entourés de photographes, de caméras de télévision et de journalistes. On y déclara que la supraconductivité dépassait la limite de l'azote liquide, qui était de -196°C.

Alors de grands espoirs sont apparus et tout le monde a commencé à rêver. Comme ils croyaient que la supraconductivité à température ambiante serait atteinte le lendemain, l'énergie électrique accumulée en grandes quantités, le transport électrique sans perte, les ordinateurs superrapides, etc. partout. Tous annonçaient un monde gouverné par des superconducteurs.

Trois ans plus tard, cependant, les échauffements d'alors sont tempérés et malgré les travaux de recherche réalisés sur des superconducteurs céramiques, la marque de température n'est arrivée qu'à -148°C. Récemment, à l'Université de Detroit, J. T. Le physicien Txen a préparé un matériau supraconducteur à -23°C, mais le nouveau n'a pas été confirmé. Par conséquent, la supraconductivité à température ambiante semble être assez loin.

Technologie de l'azote liquide

Pendant ce temps, beaucoup de gens ont commencé à développer la technologie de l'azote liquide, puisque le passage de la supraconductivité de la température de l'hélium liquide à la température de l'azote liquide a beaucoup facilité les choses. L'hélium liquide est coûteux et difficile à utiliser, nécessite des installations compliquées. L'azote liquide, quant à lui, est quarante fois moins cher, avec un rendement 30 fois supérieur à celui de la terrasse et de l'hélium. Cependant, dans les laboratoires, les chercheurs travaillent dur pour obtenir des températures plus élevées pour la supraconductivité. Par conséquent, il ne signifie pas que les scientifiques se tiennent.

Du point de vue industriel, le travail est suffisant si d'autres problèmes sont résolus dans les applications indépendamment de la température. Les nouveaux matériaux “à haute température” ont quelques inconvénients. Bien que les produits chimiques les fabriquent facilement en forme de masse cristalline, leur utilité pour les applications est très réduite. C'est pourquoi de nombreux laboratoires publics et privés travaillent à adapter ces matériaux aux applications industrielles.

Supraconductivité en électronique

Dans les circuits électriques, la transmission rapide des signaux devient de plus en plus intéressante. Le silicium et l'arseniure de gallium ont fait de grands progrès dans ce domaine et actuellement une puce carrée d'un centimètre de longueur a un temps de réponse de 100 picosecondes (100 x 10 à ¹² secondes). Cependant, le temps de réponse dans l'ensemble des circuits électroniques est dix fois plus élevé en raison du grand nombre de connexions existantes. Chaque connexion, aussi petite soit-elle, a une résistance électrique et est généralement en série, de sorte que tous diminuent la vitesse de circulation des signaux. D'autre part, l'effet Joule produit également de la chaleur dans les connexions, ce qui est préjudiciable à son fonctionnement.

Des circuits logiques plus rapides réduiraient le temps de réponse à une picoseconde, mais pour cela il faudrait des supraconducteurs à haute température. Dans ces circuits hybrides, la partie logique de connexion, formée de mémoires semi-conductrices, serait formée de superconducteurs, le tout refroidi par azote liquide.

Dans les lignes actuelles, une partie de l'énergie électrique se transforme en chaleur, même si la tension de transport est élevée. Les super-héros éviteraient ces pertes de chaleur et la tension de transport serait très faible.

Mais avant les industriels doivent maîtriser la technologie des couches minces. En Amérique, au Japon et en Europe, on avance rapidement. En Europe, par exemple, des couches supraconductrices très fines ont été obtenues sur le support siliceux de fracture cathodique, d'évaporation ultrarapide ou de précipitation par ablation laser, d'une centaine d'etilngström (1 A = = = ^10-10 m).

Cependant, si l'on veut introduire de nouveaux composants dans le monde de l'électronique, il faut jeter certains matériaux actuels, ce qui est difficile parce que les grandes entreprises ont réalisé de grands investissements dans la technologie du silicium.

Supraconductivité dans le magnétisme

Un autre domaine d'application intéressant de la supraconductivité est le magnétisme. Aujourd'hui, par exemple, pour effectuer des diagnostics en médecine ou générer de l'énergie électrique, des champs magnétiques forts sont nécessaires. Ces champs magnétiques sont générés par de grands électroaimants dans lesquels il y a des fils conducteurs qui traversent le courant électrique. Pour éviter l'obstacle à la résistance électrique des fils de cuivre, il est nécessaire d'utiliser des câbles de grand diamètre. Par conséquent, les bobines n'ont pas d'autre choix que d'être grandes en taille et consomment beaucoup d'énergie.

Les supraconducteurs sont la bonne voie pour résoudre ces problèmes, mais jusqu'à présent l'utilisation de l'hélium liquide a beaucoup limité les choses. Détecteur de particules ALEPH, accélérateur de particules LEP (CERN de Genève), technologies pour la médecine de résonance magnétique-nucléaire, etc. fabriqués à partir de bobines supraconductrices refroidies par hélium. Ces bobines sont fabriquées avec des alliages de niobium et de titane, car à basse température ces métaux sont des superconducteurs. Mais il est difficile de donner forme de fil aux superconducteurs céramiques. Cependant, il semble que les Japonais aient beaucoup avancé leurs recherches et qu'ils puissent bientôt fabriquer des fils de super-conducteurs céramiques. De cette façon, la supraconductivité à haute température ouvrira les portes d'entrée à l'industrie.

Les militaires sont également très attentifs à la supraconductivité dans le domaine de l'azote liquide. L'hélium liquide ne peut pas être utilisé en avion pour des problèmes de stockage et de fonctionnement pendant le vol. L'azote liquide, en revanche, est déjà utilisé en avion pour refroidir les caméras de détection infrarouge.

Stockage de l'énergie

Un autre problème que les supraconducteurs peuvent résoudre est le stockage d'énergie électrique en grandes quantités. En Amérique et en Allemagne, des scientifiques travaillent sur des projets pour développer ce domaine.

Fondamentalement, il est destiné à stocker une grande quantité d'énergie sans aucune perte, puis l'utiliser lentement en fonction des besoins. Dans les villes, par exemple, lorsque la consommation est réduite beaucoup la nuit, l'énergie s'accumulerait dans les bobines supraconductrices et lorsque la consommation augmente pendant la journée la bobine serait déchargée.

D’autre part, les militaires veulent ce type de bobines pour la “guerre des étoiles”. C'est parce que dans 100 secondes seraient émis entre 0,4 et 1 gigawatt d'énergie (1 gigawatio = 10 ⁹ watts).

Cependant, les surconducteurs à haute température, comme ceux à température froide, ont leurs limites. Si le niveau appelé “courant critique” passe, le matériau cesse d’être supraconducteur et montre le comportement de tout conducteur normal. Les surconducteurs froids d'alliages de niove, par exemple, présentent des niveaux de courant critique à -269°C dans 10 millions d'ampères par centimètre carré et dans les surconducteurs à haute température d'oxyde actuels, le niveau est cent fois inférieur à dix.

Transport de l'électricité

Une conséquence de la supraconductivité sera le train sans roues. Le train circulera dans l'air avec lévitation magnétique sans contact avec les viscères ou la terre.

Ces matériaux, faute de résistance électrique, transporteraient le courant électrique sur de longues distances sans perte. L'effet Joule permet aux lignes de transport de perdre entre 10 et 15% d'énergie converties en chaleur.

Pour la réalisation de lignes de superconducteur, cependant, le système de refroidissement doit être installé sur toute la voie et son coût est pour le moment incalculable. Dans cette ligne, en outre, il pourrait y avoir des risques importants. Si par panne du système de refroidissement, chute de foudre ou d'autres causes n'importe quel point de la ligne était chauffé, il cesserait d'être supraconductif immédiatement. Par conséquent, il chaufferait et transmettrait cette chaleur à l'environnement, affectant finalement tout le réseau de transport.

Train magnétique

Le projet de train à lévitation magnétique est l'un des projets les plus intéressants de ces derniers temps. Le train est basé sur la force de répulsion qui interagissent deux pôles magnétiques identiques. Le champ magnétique doit donc être assez grand pour soulever le poids du sol en centaines de tonnes. Cela ne peut être réalisé que par des bobines de superconducteur. Les Japonais et les Allemands sont ceux qui ont jusqu'à présent effectué des essais de train magnétique. Pour cela, ils ont utilisé l'hélium liquide.

Le train n'a pas de roues et se déplace dans l'air sans toucher les terres. Par conséquent, ils ne peuvent pas être utilisés sur les voies normales de voie. Par conséquent, toute l'infrastructure doit être nouvelle; flacon, stations d'alimentation électrique, etc. Cependant, le coût du nouveau chemin de fer est énorme (94% du total du projet) et les Allemands ont cessé de développer le train magnétique. Les Japonais sont actuellement les seuls à soutenir le projet.

Les attentes sur la supraconductivité en 1987 semblent aujourd'hui un peu gelées, mais un grand groupe de chercheurs travaille à travers le monde et à tout moment faire connaître une autre découverte merveilleuse dans ce domaine ne serait pas étrange. Les attentes gelées pourraient devenir incandescentes.