Supraconducteurs pour l’énergie du futur - Les câbles de haute technologie restent froids grâce au vide

Supraconducteurs pour l’énergie du futur - Les câbles de haute technologie restent froids grâce au vide

Les supraconducteurs super-refroidis permettent au courant de circuler sans résistance. La perte d’énergie au cours du transport est minimisée. Le vide aide à générer et à gérer le refroidissement requis.
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Le froid élimine la résistance

« Lorsque l'électricité circule, il y a de la résistance » : le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a inversé ce postulat de la science électrique en 1911 lorsqu'il a découvert le phénomène de la supraconductivité. En effet, selon les règles de la physique quantique, certains matériaux perdent leur résistance électrique s'ils sont refroidis à de très basses températures. L'électricité peut donc circuler sans perte d'énergie. Sur les réseaux électriques européens, la perte liée au transport est approximativement de six pour cent. Le transport d'électricité sans résistance pourrait donc réduire le nombre de centrales électriques requises. Toutefois, dans la réalité, les câbles supraconducteurs représentent une construction de haute technologie très complexe.

Le vide protège de la chaleur

Les câbles supraconducteurs ont peu de choses en commun avec les lignes électriques classiques : ils sont composés de plusieurs couches, comme un tuyau d'arrosage avec différents diamètres placés les uns dans les autres. Les couches sous tension contiennent des bandes supraconductrices réalisées dans un matériau en céramique. La température de transition de ce type de matériau (stade auquel le matériau revêt des propriétés supraconductrices) se situe entre moins 130 et moins 180 °C. Dans le contexte de la physique des supraconducteurs, ces températures sont considérées comme élevées ; les céramiques sont désignées comme des supraconducteurs à haute température.

Néanmoins, par rapport à la température ambiante, un froid extrême reste nécessaire. C'est pourquoi le faisceau de câbles est refroidi avec de l'azote liquide refroidi par cryogénie. Il circule en permanence dans l'espace vide qui entoure la couche supraconductrice. Le câble est également doté d'un revêtement qui le protège des influences de la température extérieure grâce à deux parois séparées par du vide : une isolation qui repose sur le même principe qu'une bouteille thermos.

Dans le cadre du projet pilote AmpaCity, un câble de ce type traverse le centre-ville d'Essen sur un kilomètre, entre deux postes de transformation. Il a réussi le test pratique lors d'une phase d'essai qui a duré deux ans. Outre l'évacuation de l'enveloppe isolante sous vide, ce projet utilise également la technologie de vide pour refroidir l'azote. Dans l'unité de refroidissement, les pompes à vide sont utilisées pour maintenir le gaz à une température largement inférieure à son point d'ébullition de moins 196 °C.

Gains d'efficacité et technologie médicale

Malgré une construction en couches complexe, les supraconducteurs sont beaucoup plus minces que des câbles en cuivre comparables : ils ont le même diamètre mais peuvent transporter cinq fois plus d'électricité. Ils supportent également un courant bien plus puissant que les câbles classiques. Les experts sont donc convaincus que la nouvelle technologie de câblage sera non seulement une solution plus économe en énergie pour le transport de l'électricité dans les alimentations secteur, mais permettra aussi de gagner de l'espace, un aspect essentiel pour le projet urbain d'Essen. Les câbles supraconducteurs pourraient prendre en charge le transport d'électricité des lignes électriques à l'extérieur de la ville et rendre superflus certains des postes électriques.

Les supraconducteurs pourraient également améliorer l'efficacité des transformateurs, des générateurs et des moteurs. S'ils remplacent les câbles en cuivre, des modèles plus petits et plus légers seront possibles. Des moteurs électriques légers mais puissants seraient même intéressants pour les avions. Certains constructeurs d'avions étudient déjà de tels concepts.

D'ailleurs, les supraconducteurs ont fait leurs preuves depuis longtemps dans les infrastructures de recherche et la technologie médicale. Par exemple, les accélérateurs de particules sont équipés de bobines magnétiques supraconductrices. Ces types d'aimants sont également utilisés dans le cadre des diagnostics médicaux. Grâce à la supraconductivité, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) génère des champs magnétiques extrêmement puissants qui « éclairent » le corps sans exposition aux rayonnements. Pour ce type d'applications, la technologie de vide contribue également au refroidissement et à l'isolation.

Busch fournit des systèmes de vide pour le refroidissement et l'isolation des câbles supraconducteurs et des bobines magnétiques dans le monde entier.

Des diagnostics de haute précision avec l'IRM

L'imagerie par résonance magnétique (parfois appelée imagerie par résonance magnétique nucléaire) fait aujourd'hui partie intégrante des diagnostics médicaux. Elle fournit des images du corps avec de nombreux détails invisibles sur une image radiologique. Avec une IRM, un œil aguerri peut également identifier des lésions au niveau des muscles, des ligaments, des tendons, des vaisseaux sanguins et même des nerfs. Les médecins bénéficient ainsi d'informations cruciales pour les interventions chirurgicales ou pour le traitement des maladies tumorales.

Les images sont produites à l'aide d'ondes radio et de champs magnétiques extrêmement puissants qui provoquent l'agitation des noyaux d'hydrogène dans les tissus organiques. Ce mouvement, le spin nucléaire, crée des ondes électromagnétiques. Celles-ci sont enregistrées par la machine IRM et converties, à l'aide de l'analyse des données, en images à contraste élevé des structures corporelles. Contrairement aux rayons X, principalement capables d'afficher les os, les images des machines IRM présentent également les tissus mous du corps avec une résolution très élevée. Comme la machine effectue la mesure en couches fines de quelques millimètres, ces images peuvent également être compilées pour créer des images en 3D. Selon l'application, le champ magnétique requis pour le traitement de l'image est 20 000 à 100 000 fois plus puissant que celui de la Terre. De telles intensités de champs ne peuvent être créées et maintenues qu'avec des bobines magnétiques supraconductrices.


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