La supraconductivité, 100 ans déjà et encore pleine d’avenir

La supraconductivité, 100 ans déjà et encore pleine d’avenir

Ce mois d’avril fête le centenaire de la découverte de la supraconductivité. Le développement de cette technologie n’a pas été aussi rapide que prévu, et aujourd’hui son utilisation est cantonnée à quelques niches bien précises, mais cette découverte reste pleine de promesses pour demain. Retour sur les enjeux techniques de cette surprenante propriété de la matière.

La découverte de cette technique

L’histoire commence à Leyde, une petite ville universitaire des Pays-Bas, où le 10 juillet 1908, Kammerlingh Onnes parvient à liquéfier de l’Hélium, donc à atteindre la température record de 4,2 Kelvins (-269°C). La liquéfaction de ce gaz (découvert en 1895) faisait l’objet d’une compétition internationale : c’était le dernier des « gaz non condensables » qui résistait encore à la liquéfaction, après celle de l’Hydrogène en 1898.

Le principe, Ceci étant, Onnes pouvait maintenant étudier les propriétés des matériaux confrontés à des températures extrêmes, en les plongeants dans l’hélium liquide. C’est ainsi que le 8 avril 1911, Gilles Holst, un étudiant de Onnes, constata que la résistance du mercure, placé dans un capillaire de verre, devenait brusquement non-mesurable au-dessous de 4,15 Kelvins. Après de nombreuses et méticuleuses vérifications, tant la surprise était grande, le mercure se révélait bien devenir un « super » conducteur !
Avec la liquéfaction de l’Hélium, elle valut à Kammerlingh Onnes le prix Nobel de physique en 1913.

Un supraconducteur est donc un matériau qui ne connaît pas l’effet Joule. C’est à dire qu’il ne dissipe aucune chaleur lors du passage d’un courant. Sa résistance est nulle.
Mais une résistance nulle n’a pas de sens d’un point de vue expérimental. On constate juste qu’alors, elle dépasse la précision des appareils de mesure. Ainsi, les mesures les plus fines de déperdition de courant dans une bobine supraconductrice mise en mode persistant (c’est à dire court-circuitée) ont indiquée que la baisse de courant atteindrait 0,07% au bout d’un siècle ! Ceci à donné une borne supérieure à la résistivité d’un supraconducteur : 10-24 Ohm-mètre. Pour comparatif, avec une bobine en cuivre, à température ambiante, dont la résistivité est de 1,7×10-8 Ohm-mètre, le courant diminue de 0,07% en 0,2 microsecondes?
Mais cette propriété exceptionnelle n’existe qu’au-dessous d’une certaine température appelée température critique. C’est cette contrainte de refroidissement qui limite principalement l’exploitation commerciale de la supraconductivité. La cryogénie nécessaire à l’apparition du phénomène impliquant une forte consommation d’énergie, la recherche est orientée aujourd’hui vers la conception d’un matériau supraconducteur à des températures plus élevées.
En outre, la température n’est pas le seul acteur. Pour qu’un électroaimant soit puissant, il faut qu’il transporte un courant dense, or, au-delà d’un certain seuil, les matériaux perdent leur supraconductivité? Il est ici question de l’art du métallurgiste, qui doit augmenter la densité de courant critique via une microstructure et une nanostructure adaptée. De plus, un champ magnétique trop intense, supérieur à une valeur dite « critique » elle aussi, détruit l’état supraconducteur. Kammerlingh Onnes en avait fait la mauvaise expérience dès 1913. Il avait immédiatement compris l’intérêt des supraconducteurs pour réaliser de puissants électroaimants, mais toutes ses tentatives furent vaines. (La valeur critique pour le mercure n’est que de 0,04 tesla). Il fallut attendre la fin des années 50 pour qu’apparaissent les premiers matériaux supraconducteurs ayant des champs magnétiques critiques élevés. Ceux-ci font appel à des composés complexes, comme l’alliage Niobium-Zirconium (NbZr) ou Niobium-étain (Nb3Sn).
L’émergence de ces nouveaux matériaux a fait passer la supraconductivité du statut de phénomène physique à celui de nouvelle technologie, et les applications se développèrent.
Parallèlement, l’explication théorique du phénomène se précisait, avec la théorie dite BCS (du nom de ces 3 auteurs : John Bardeen, Leon Cooper, et John Schrieffer, lauréats du prix Nobel en 1972). Notons que la théorie de la supraconductivité est encore inachevée, notamment au niveau du principe quantique associé au phénomène.

Les utilisations de la supraconductivité

Ainsi, l’état supraconducteur apparaît « coincé » entre 3 composantes : La température, le champs magnétique et la densité de courant. Chaque composé ayant ses seuils critiques propres, on favorisera leur emploi en fonction de l’utilisation requise. En 2008, une nouvelle famille de composés supraconducteurs a été découverte (les pnictures de Fer. Des semi métaux, à base de Fer, d’Arsenic et de Phosphore). Ces nouveaux composés ont des températures critiques allant jusqu’à 56 Kelvins. Ils ouvrent une voie nouvelle de compréhension du phénomène. Nous ignorons aujourd’hui, s’il existe une limite à la température critique nécessaire à la supraconductivité. L’objectif serait bien de concevoir un composé pouvant être supraconducteur à température ambiante, et ne nécessitant ainsi plus de cryogénie, principal coût relatif à l’utilisation de la supraconductivité. La mise en ?uvre de ce phénomène est donc aujourd’hui très couteuse, et pas encore assez fiable pour une utilisation à grande échelle dans le transport de l’électricité par exemple. Le cuivre ou l’aluminium ont un rendement très mauvais par rapport à un supraconducteur, mais leur utilisation répond à un cahier des charges mettant en relief la fiabilité, la facilité d’utilisation etc? Le passage à des composés complexes supraconducteurs serait une rupture technologique de grande envergure, devant laquelle les électriciens et les distributeurs d’électricité restent assez conservateurs.

L’avenir de la supraconductivité

En revanche, l’utilisation de bobines supraconductrices, comme électroaimants, a déjà trouvé application. Dès 1964, on utilisait, à Chicago, un aimant supraconducteur dans une chambre à bulle, pour détecter des particules. La précision étant décuplée par la supraconductivité.
C’est en imagerie médicale que la supraconductivité s’est le plus développée, avec l’application de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM). Cette nouvelle technologie permet, en alignant les spins (moment cinétiques) des noyaux atomique (d’hydrogène notamment) dans la direction d’un champ magnétique, d’obtenir une résolution de moins d’un millimètre dans tous les tissus mous (muscles, cerveau?), et de suivre en temps réel le déplacement des composés chimiques au niveau microscopique. Les spins nucléaires entrants en résonnance, on obtient comme un signal « à l’arrêt » de l’excitation, ce qui permet de construire une image qui reflète l’activité des tissus, où leur composition.
La supraconductivité est également le nouveau compagnon de route d’un autre domaine : la physique des particules élémentaires, dont les outils de base sont les accélérateurs et détecteurs de particules. Ils font appel à de puissants électroaimants. L’apport de la supraconductivité a permis un développement spectaculaire de ces machines, en réduisant la consommation d’énergie nécessaire et en donnant accès à des champs magnétiques plus élevés.

Malgré la frilosité de cette industrie, et la difficulté technique de mise en ?uvre, les industriels du transport d’électricité s’intéressent peu à peu à la supraconductivité. Notamment pour sécuriser les réseaux, en utilisant le seuil critique de densité du courant : En dessous du seuil, un supra conducteur est transparent car sans résistance, et au-dessus, il devient résistant, et permet alors de diminuer significativement les courants par défaut, polluants, voire dangereux pour les installations.
Le développement d’une supra conductivité à haute température se verra sans doute impliquée dans celui de la physique quantique (ordinateurs quantiques).
Enfin, un aspect spectaculaire de la supraconductivité est la lévitation stable d’une pastille supraconductrice au-dessous d’un aimant permanent. L’aimant induit des courants dans la pastille, ces derniers créent un champ magnétique qui entre en interaction avec l’aimant et entraîne une sustentation stable. Certains voient ici une possible création de trains à lévitation magnétique (voir vidéo).

 

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