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Quelles applications pour la supraconductivité ?

Au départ simples curiosités de laboratoire, les matériaux supraconducteurs sont aujourd'hui de plus en plus utilisés, que ce soit en imagerie médicale ou dans les grands accélérateurs de particules.

Une découverte centenaire

Le 8 avril 1911, le Néerlandais Heile Kammerlingh-Omnes découvrait un phénomène fascinant : du mercure plongé dans de l’hélium liquide, à 4,2 kelvins (4,2 degrés au-dessus du zéro absolu, soit - 269°C) devenait un conducteur électrique parfait, sans la moindre perte, alors que les meilleurs métaux s’échauffent lorsqu’ils sont traversés par du courant, et ce d’autant plus que le courant est élevé. La communauté scientifique s’est immédiatement enthousiasmée pour ce phénomène, baptisé supraconductivité, imaginant des applications fabuleuses : des lignes électriques efficaces à 100%, du stockage d’énergie en faisant circuler indéfiniment le courant dans des circuits supraconducteurs… Malheureusement, la supraconductivité n’existait qu’à de très basses températures et ces applications n’ont pas vu le jour.

À l'occasion du centenaire de la découverte de la supraconductivité, nous avions rencontré le physicien Jérôme Lesueur, directeur du laboratoire de physique et d'étude des matériaux CNRS/ESPCI.

En 1986, nouvel emballement avec la découverte d’une famille de supraconducteurs, les cuprates, fonctionnant à plus haute température, jusqu’à -135 °C. Mais là encore, un faux espoir, ces cuprates étant des céramiques, ils sont très difficiles à usiner. Aussi, lorsque l’on regarde autour de soi, on est loin de voir les applications annoncées il y a un siècle ou un quart de siècle. Pourtant, elles ne sont pas aussi absentes qu’on pourrait le croire. Et celles de demain s’avèrent très prometteuses.

Soumis à un refroidissement proche de -250 °C, les matériaux supraconducteurs acquièrent des propriétés magnétiques. Explications avec Julien Bobroff, chercheur au département de physique des solides de l'université Paris XI, chargé de mission supra 2011 au CNRS.

En tête, l’imagerie médicale

En démonstration dans un salon, un appareil d'IRM Siemens. Il s'agit ici de la tête de l'appareil. © Raziel/CC/sa-2.5

Le plus gros utilisateur de supraconducteurs est aujourd’hui le Large Hadron Collider (LHC), un gigantesque accélérateur de particules près de Genève, où d’énormes aimants font tourner des particules chargées. Le LHC n’aurait tout simplement pas vu le jour sans les supraconducteurs : il était inimaginable d’obtenir les mêmes performances avec des aimants classiques en métal. Mais en chiffre d’affaires, c’est l’imagerie par résonance magnétique (IRM) qui détient sans conteste la palme des applications des supraconducteurs. En effet, cette imagerie très sensible nécessite des aimants très puissants, car la finesse de l’image dépend de la puissance du champ magnétique appliqué au patient. Seules des bobines dans lesquelles circule un courant sont capables d’apporter cette puissance. On pourrait utiliser des bobines en cuivre, mais il y aurait alors de grosses pertes d’électricité et il faudrait les refroidir énormément car ce cuivre s’échaufferait beaucoup. On préfère avoir recours à des fils supraconducteurs métalliques, refroidis à près de 4 kelvins par de l’hélium liquide.

Vers une IRM portable ?

Cependant, un appareil d’IRM reste coûteux, trois millions d’euros pour un appareil offrant un champ magnétique de trois teslas (T) – plus de soixante mille fois le champ terrestre. Des chercheurs tentent donc une autre approche : pourquoi ne pas utiliser des champs plus faibles, avec de meilleurs détecteurs capables de capter des signaux d’IRM plus ténus ? C’est le pari de l’équipe de Claude Fermon au Commissariat à l’énergie atomique (CEA) à Saclay. Là encore, les supraconducteurs sont indispensables. « Ils servent à amplifier le champ magnétique capté, explique le chercheur. On convertit un champ faible présent sur quelques centimètres carrés en un champ deux mille fois plus fort sur une toute petite surface. Les capteurs sont eux aussi à base de supraconducteurs. La combinaison des deux permettra une détection plus fine, tout en étant moins sensible aux perturbations extérieures que les détecteurs actuels. » Une entreprise allemande, Sensitec, a conclu un accord avec le CEA et produit ces détecteurs sur du silicium. « Ces détecteurs devraient arriver sur le marché d’ici quatre à cinq ans, après les vérifications cliniques, et permettre de développer des appareils à IRM moins chers, portables, utilisables dans les cabinets des médecins ou dans les ambulances », espère Claude Fermon.

Des « squids » pour comprendre le cerveau

D’autres détecteurs à base de supraconducteurs, appelés Squids (Superconducting Quantum Interference Device), pourraient être utilisés pour la magnéto-encéphalographie (MEG), une technique médicale consistant à mesurer le champ magnétique émis par le cerveau. Aujourd’hui, l’activité du cerveau est facilement détectée par l’électroencéphalographie (EEG), qui mesure le champ électrique, mais ce dernier est perturbé en traversant la boîte crânienne. « L’IRM peut observer très précisément le cerveau, mais pas son activité, c’est comme une photo, explique Julien Bobroff, professeur au laboratoire de physique des solides à Orsay (Essonne). La MEG, de son côté, est moins précise, mais montre ce qui se passe dans le cerveau comme le ferait une vidéo. Le couplage des deux techniques serait très riche d’informations. » Reste que ces mesures doivent être menées dans une salle à l’abri du champ magnétique terrestre, cent milliards de fois plus intense que les minuscules champs mesurés par la MEG. C’est donc une technique très lourde.

D’autres applications pour les « squids »

Circuit de « squid » fait en supraconducteurs © Groupe physique mésoscopique / LPS-Orsay

Un squid est un magnétomètre – c'est-à-dire un dispositif supraconducteur à interférence quantique –, l'un des systèmes les plus précis pour mesurer des champs magnétiques très faibles. Sa technologie est basée sur une propriété spécifique aux supraconducteurs : lorsque deux supraconducteurs sont séparés par un mince isolant, un courant électrique apparaît entre eux. Or, l’intensité de ce courant dépend fortement du champ magnétique. En mesurant le courant, on peut donc connaître précisément le champ magnétique. Ces squids, utilisés aujourd’hui par les scientifiques, sont de plus en plus performants et pourraient bientôt sortir des laboratoires. Ainsi des chercheurs imaginent pouvoir détecter les mines antipersonnel en installant, dans un hélicoptère, un squid capable de mesurer le champ magnétique terrestre – surtout, ses déformations causées par la présence d'objets métalliques tels que des mines. Autres utilisations possibles : détecter des ruines enfouies contenant des métaux par des archéologues, faire de la prospection minière par des géologues...

Des câbles supraconducteurs

Structure cristallographique d'un cuprate Le cuprate est un supraconducteur à haute température critique © Julien Bobroff (Jubobroff) / LPS-Orsay

L’entreprise française Nexans a installé à Long Island dans l’État de New York, aux États-Unis, un câble supraconducteur en cuprate alimentant en électricité 300 000 personnes, refroidi par de l’azote liquide circulant en permanence. Ce câble est certes plus coûteux qu’un câble traditionnel en cuivre, mais il permet de faire passer trois fois plus de courant dans le même volume, malgré la place prise par les systèmes de refroidissement. « Il y a quelques années, on ne savait pas fabriquer des câbles avec des supraconducteurs à haute température en céramique, rappelle Julien Bobroff. Aujourd’hui, ils sont coincés entre deux couches de métal, si bien que si la céramique perd sa supraconductivité (par exemple, si elle chauffe trop), le courant passe alors par le métal. » Ces câbles peuvent aussi servir d’énormes fusibles en sortie de centrale électrique : si trop de courant passe, le supraconducteur se réchauffe, perd sa conductivité et devient brusquement isolant. Il empêche alors le courant de passer, jouant parfaitement son rôle de fusible. Il suffit de le refroidir pour le remettre en service.

Au-delà des améliorations sur la mise en forme des céramiques, de grands progrès ont été accomplis récemment sur le refroidissement. Il n’est plus forcément nécessaire de plonger le câble dans de l’azote liquide, il existe des « réfrigérateurs » très compacts capables de refroidir à quelques kelvins. Cela ouvre de nombreuses perspectives aux supraconducteurs, notamment pour leur utilisation – déjà répandue – dans les relais de téléphonie mobile, où ils jouent le rôle de filtres électroniques.

Et demain ?

Le Maglev (de l'anglais « Magnetic Levitation ») Il s'agit d'un projet japonais de train à sustentation magnétique dont l'objectif est de relier Tokyo à Osaka (400 km) en une heure. © Yosemite/FGDL/CC/sa-3.0

D’autres applications restent en revanche plus lointaines. C’est le cas du stockage d’énergie. Théoriquement, on peut stocker indéfiniment de l’électricité dans un câble supraconducteur, en la faisant circuler aussi longtemps qu’on le souhaite, puisqu’il n’y a aucune perte. Cela existe en laboratoire, mais c’est bien plus coûteux que les autres modes de stockage. Les supraconducteurs sont également capables de faire « léviter » des métaux mais, si des trains à lévitation magnétique existent, notamment au Japon, ils restent des attractions touristiques plus que de véritables installations économiquement viables. À moins qu’on ne trouve un jour un matériau supraconducteur moins cher ou plus pratique. La découverte en 2008 d’une nouvelle famille de supraconducteurs à base de fer, les pnictures, montre qu’on est loin d’avoir tout découvert sur la supraconductivité.

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