Grâce à la supraconductivité, des effets tels que la lévitation deviennent possibles

Pour Ronald Reagan, ces matériaux dotés de cette propriété étrange qu'on nomme "supraconductivité" allaient tout bonnement bouleverser notre vie de tous les jours.

Les trains ultra-rapides à lévitation magnétique, les génératrices électriques d'une efficacité encore jamais vue, et les ordinateurs super-puissants, tout cela -et bien plus- allait devenir monnaie courante grâce à ces nouveaux matériaux, ces supraconducteurs.

C'était là, en tout cas, le rêve. Mais où en est-on maintenant que deux décennies se sont écoulées?

Un peu d'histoire

	Ronald Reagan avait annoncé la révolution il y a vingt ans

Tout d'abord, quelques rappels historiques.

C'est en 1911 que la supraconductivité a été découverte par des chercheurs de l'université de Leiden, aux Pays Bas, qui s'étaient servis de mercure à l'état solide pour leurs expériences.

Ces matériaux n'ont pas de résistance électrique, et permettent donc à un courant de passer librement sans la moindre perte.

Au début, la supraconductivité ne se voyait que dans des matériaux refroidis à une température proches du zéro absolu, c'est à dire correspondant à une énergie thermique nulle.

Trois quarts de siècle plus tard, on avait réussi à atteindre un état de supraconductivité à une température un peu plus élevée, de 23° Kelvin, soit -50° Celsius.

Ce qui avait permis aux chercheurs d'exploiter le phénomène dans des domaines spécialisés tels que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ou les accélérateurs de particules, refroidis à l'hélium liquide.

Mais les applications plus générales -telles que le remplacement des fils du réseau électrique par des câbles supraconducteurs- restaient hors de portée, aucun matériau ne pouvait devenir supraconducteur à des températures plus élevées.

Céramique

	Les supraconducteurs servent déjà dans les appareils d'imagerie par résonance magnétique

Il fallut attendre 1986. Cette année-là, deux chercheurs de l'entreprise américaine IBM, Georg Bednorz and Alex Mueller, ont découvert une nouvelle sorte de supraconducteurs en céramique, appelés perovskites à l'oxyde de cuivre, qui fonctionnaient à la température "élevée" de 35° Kelvin, soit -238° C.

Peu après, nouveau réchauffement (si l'on peut dire) avec Paul Chu, de l'université de Houston, au Texas. Il découvre des matériaux qui opèrent à 93° K, soit -182° C.

Or grâce à ce dernier progrès, on arrive à la température de l'azote liquide (77° K, -196° C), un gaz refroidissant ou (cryogénique) connu.

"Tout à coup", se souvient Paul Chu, "plus rien n'était comme avant: dans ce domaine de recherches, c'était l'euphorie. On se disait que rien n'était plus impossible".

Restait à résoudre le problème de la commercialisation à grande échelle de ce nouveau matériau. Or, reconnaît Paul Chu, "il n'était pas aussi simple que nous avions pensé à l'origine".

Les difficultés

	Georg Bednorz et Alex Mueller

Et malgré deux décennies de recherches intensives, les mécanismes de cette supraconductivité des céramiques ne sont pas encore connus avec précision, et font encore l'ojet d'un débat dans les milieux scientifiques.

Pire: leur structure, nécessitant des couches superposées de matériaux différents, les rend difficilles et onéreux à produire. Or, "à l'échelle atomique" explique Paul Chu, "si on veut que le courant puisse passer, il faut les aligner avec une très grande précision".

Enfin, les céramiques sont cassables, friables, et difficiles à transformer en fils ou en pellicules souples. Une exploitation rapide de ces matériaux semblait peu probable.

Pour Dennis Newns, d'IBM, "les prévisions faites à l'origine n'étaient pas très réalistes. La durée moyenne entre l'invention d'un nouveau concept et sa mise en application est d'une vingtaine d'années. Or c'est ce qui s'est passé".

Aujourd'hui, des entreprises japonaises, européennes, chinoises, et coréennes vont de l'avant, pour trouver des applications.

Plier des "spaghettis"

	Des dizaines de filaments entourés par un ruban de métal

Aux Etats Unis, la compagnie American Superconductor a trouvé le moyen de "plier" ces matériaux pourtant rigides, créant des câbles supraconducteurs à haute température capables de porter 150 fois plus d'électricité que les cables équivalents en cuivre.

"Il y a vingt ans, on voyait des gens qui essayaient de faire plier des fibres en céramique, et c'était comme des spaghettis secs", se souvient Greg Yurek, PDG et fondateur d'American Superconductor.

La solution? Les fils de céramique sont bien plus compacts que les fils de cuivre. Et pour venir à bout du problème, l'entreprise enferme jusqu'à 85 filaments minuscules dans un ruban de métal de 4,4 cm de large.

Greg Yurek explique le concept: "pensez aux fibres optiques, par exemple. Si vous prenez un bâtonet de verre et que vous tapez avec sur votre bureau, il va se casser. Mais réduisez sa taille, faits du bâtonnet un mince filament de fibre optique, et il deviendra sosuple. C'est le même principe que nous appliquons avec les supraconducteurs".

La compagnie produit aussi des fils électriques en alliage, enrobés d'une couche de céramique d'un micron (soit un millième de mm) d'épaisseur, maintenus à basse température par une gaine d'azote liquide.

Applications

	Un aimant supraconducteur est installé dans l'accélérateur de particules du Cern (Photo: Maximilien Brice/Cern)

Des segments courts de ces fils -ou cables- sont déjà installés à Columbus, dans l'Ohio, et il est prévu d'installer un deuxième segment, d'environ 800 m de long, à Long Island, dans l'état de New York.

Pour l'instant, il serait difficile de poser des cables plus longs, en raison de l'infrastructure nécessaire pour pomper l'azote liquide qui doit maintenir le réseau à basse température.

Mais Greg Yurek estime que d'autres compagnies proposeront à leur tour des services cryogéniques (de refroidissement). Il souligne que "c'est ce genre de modèle dont ils se sont déjà servis dans l'industrie de l'imagerie à résonance magnétique pour garantir un froid constant".

Les applications pour cette technologie sont nombreuses. Les chemins de fer japonais, par exemple, se servent de bobines de fils supraconducteurs pour leur train expérimental à lévitation magnétique.

American Superconductor a aussi mis au point un moteur électrique qui utilise des bobines de fils supraconducteurs destinés à la prochaine génération de navires d'escorte de la marine américaine.

La plupart des navires de ligne commerciaux sont équipés de moteurs électriques, mais ces derniers sont lourds et encombrants. L'utilisation de cette nouvelle technologie permet de réduire considérablement leur volume, tout en les rendant plus performants.

L'entreprise va entamer sous peu la construction de son dernier moteur de 36,5 megawatts, refroidi par des réfrigérateurs à azote liquide, d'un poids total de 75 tonnes. L'équivalent, avec des fils de cuivre "classiques", pèserait 300 tonnes.

Greg Yurek souligne que c'est là un avantage de taille pour ces navires civils et de guerre "parcequ'ils peuvent utiliser l'espace économisé pour transporter autre-chose. Des passsagers, par exemple, ou des munitions".

Pas de limites

	Les fils supraconducteurs pourraient être utilisés dans les trains à lévitation magnétique

Les choses progressent aussi sur le plan expérimental. Des nouveaux supraconducteurs ont été découverts, comme par exemple un alliage de mercure et d'autres éléments qui fonctionne à une température de 134 ° Kelvin, soit -139° C.

Enfin, d'autres travaux laissent entrevoir la possibilité de découvrir un jour des supraconducteurs qui fonctionneraient à une température "normale" -ambiante- sans avoir besoin d'équipements complexes pour les refroidir.

Une nouvelle théorie, exposée dans la revue Nature Physics par Dennis Newns et son collègue d'IBM Chang Tsuei, tente d'expliquer le mécanisme complexe de la supraconductivité dans les céramiques découvertes en 1986.

Chang Tsuei est formel: "nous ne voyons pas de limites absolues", déclare-t-il. "Si quelqu'un découvrait un supraconducteur fonctionnant à la température ambiante, et qui s'accorde avec notre théorie, cela ne nous surprendrait pas le moins du monde".

Un tel optimisme, qu'on avait vu pour la première fois au milieu des années 80, semble aujourd'hui justifié. La recherche dans ce domaine s'est considérablement développée, et les premiers produits supraconducteurs à haute température commerciaux sont maintenant sur le marché.

Pour Greg Yurek, cela signifie que "l'ère nouvelle" annoncée par Ronald Reagan est arrivée. Le PDG d'American Superconductor résume par une formule: "nous sommes sur la rampe de lancement, et prêts au décollage".