Cet article de blog explore comment les supraconducteurs permettent de résoudre les problèmes de perte d'énergie et quels changements ils pourraient apporter à notre société et à notre technologie.
La science moderne affirme que l'énergie se conserve dans tout l'univers. Pourtant, l'énergie utile à l'humanité se transforme souvent en énergie inutile. Au quotidien, toute l'énergie que nous utilisons pour travailler n'est pas réellement employée. En effet, une partie est convertie en chaleur par résistance mécanique. Ce phénomène est thermodynamiquement spontané, tandis que la conversion de la chaleur en d'autres formes d'énergie est un phénomène non spontané. Autrement dit, une partie de l'énergie que nous considérons comme utile est gaspillée à chaque utilisation. Ce gaspillage naturel d'énergie a un impact profond sur tous les aspects de notre vie. C'est pourquoi l'humanité cherche depuis longtemps des moyens de réduire les pertes d'énergie et d'utiliser l'énergie plus efficacement.
Et si un matériau permettait d'éviter ce gaspillage ? Pour l'énergie électrique en particulier, un tel matériau existe : un supraconducteur. Un supraconducteur est un conducteur qui présente une supraconductivité en dessous d'une certaine température (appelée température critique). La supraconductivité est le phénomène par lequel la résistance électrique d'un matériau chute à zéro et le matériau devient diamagnétique. Le diamagnétisme est le phénomène par lequel un matériau repousse un champ magnétique interne. Si un objet possède des propriétés diamagnétiques, un champ magnétique ne peut pas pénétrer à l'intérieur. Les supraconducteurs sont classés en deux types : les supraconducteurs de type I et les supraconducteurs de type II. Un supraconducteur de type I empêche totalement tout champ magnétique de pénétrer à l'intérieur. Un supraconducteur de type II permet à un certain champ magnétique de pénétrer à l'intérieur. Autrement dit, un supraconducteur de type II est un matériau qui conserve sa supraconductivité sans présenter un diamagnétisme parfait. Les supraconducteurs de type I sont principalement des substances pures, tandis que les supraconducteurs de type II sont généralement des matériaux synthétiques créés sur demande. La plupart des technologies utilisant des supraconducteurs font appel à des supraconducteurs de type II.
Comment les supraconducteurs ont-ils été découverts ? Comme beaucoup d’autres découvertes, celle de la supraconductivité est le fruit du hasard. En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes mena des expériences sur la relation entre la température du mercure solide et sa résistance électrique. Il découvrit que la résistance du mercure diminuait linéairement avec la température. Cependant, lorsque celle-ci atteignit 4.2 K, la résistance chuta brutalement à zéro. Cette découverte provoqua un véritable choc dans la communauté des physiciens de l’époque et initia une nouvelle compréhension des phénomènes physiques se produisant à des températures extrêmement basses.
Suite à la première observation de la supraconductivité en 1933, Fritz Walther Meißner et Robert Ochsenfeld découvrirent que les supraconducteurs de type I présentaient des propriétés diamagnétiques. Cette découverte a jeté les bases d'une compréhension plus approfondie des supraconducteurs. Leurs travaux ont marqué un tournant majeur dans la recherche sur la supraconductivité et ont stimulé les recherches sur les applications commerciales potentielles de ces matériaux. Par la suite, en 1950, Lev Landau et Vitaly Ginzburg publièrent une théorie expliquant les propriétés des supraconducteurs. Alexey Abrikosov prédit, sur la base de cette théorie, que les supraconducteurs seraient classés en deux types. En 1962, le premier supraconducteur commercial fut mis au point. Depuis, les ingénieurs s'efforcent de développer des supraconducteurs présentant une supraconductivité à température ambiante.
Les supraconducteurs de type I sont quasiment impossibles à commercialiser en raison de leurs propriétés. À l'inverse, les supraconducteurs de type II trouvent des applications dans divers domaines. L'électroaimant supraconducteur en est un exemple représentatif. Un électroaimant est un aimant qui ne s'aimante que lorsqu'un courant électrique le traverse. On trouve des électroaimants dans les haut-parleurs et autres appareils similaires. L'utilisation d'un supraconducteur, qui présente une résistance nulle, pour fabriquer un électroaimant permet d'éviter les pertes d'énergie lors de son fonctionnement. Les supraconducteurs sont également utilisés dans les circuits électroniques. Les circuits utilisant des supraconducteurs fonctionnent plus rapidement que ceux qui n'en utilisent pas. Cette rapidité de fonctionnement permet non seulement de réduire les temps d'expérimentation lors de l'utilisation du circuit, mais aussi de développer des dispositifs électroniques plus performants.
Si un supraconducteur présentant une supraconductivité à température ambiante était mis au point, ce matériau pourrait être utilisé dans divers domaines tels que les lignes de transport d'énergie électrique, les condensateurs, les transformateurs, les trains à sustentation magnétique et les moteurs. Les fils supraconducteurs éliminent les pertes d'énergie électrique lors du transport de l'électricité. En supprimant ces pertes inutiles, on réduit la puissance nécessaire à la production d'électricité et on évite ainsi le gaspillage des ressources.
Les trains à sustentation magnétique (Maglev) utilisant des supraconducteurs peuvent circuler à des vitesses ultra-élevées. Ceci contribuera au développement des transports. Actuellement, les ingénieurs ont porté la température critique des supraconducteurs à 52 K et les recherches se poursuivent. La supraconductivité, découverte par hasard par Heike Kamerlingh Onnes, a également marqué l'histoire des sciences pour la société moderne confrontée aux crises énergétiques.
Depuis leur découverte, les supraconducteurs ont profondément influencé non seulement la physique, mais aussi des domaines aussi variés que le génie électrique et la science des matériaux. Ils ne sont plus de simples objets de curiosité physique ; ils sont devenus des outils technologiques importants aux applications pratiques prometteuses. De plus, ils présentent un fort potentiel pour contribuer significativement au développement de la société. Dans le monde actuel, où l’utilisation inconsidérée des ressources limitées pose problème, le développement de supraconducteurs utilisables à température ambiante est considéré comme crucial. Si les ingénieurs parviennent à développer des matériaux supraconducteurs à température ambiante, l’humanité franchira une nouvelle étape de son évolution. À mesure que les applications commerciales des supraconducteurs se développeront, nous pourrons utiliser l’énergie de manière plus efficace et durable. Cela jouera un rôle essentiel dans la résolution de nombreux problèmes auxquels l’humanité est confrontée, notamment ceux liés à l’énergie et à l’environnement.
