Les progrès de la supraconductivité ouvrent la voie à une nouvelle révolution technologique

Limites de supraconductivité

L’électricité a été l’une des technologies les plus transformatrices de l’histoire, permettant la transmission d’une forme d’énergie très utile sur de longues distances. Mais tout système électrique est confronté à une résistance électrique, qui entraîne la génération de chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué.

Il existe une alternative, le matériau dit supraconducteur. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, ce qui permet d'utiliser des courants extrêmement puissants sans générer de chaleur ni de champs magnétiques puissants.

Sans supraconductivité, de nombreuses technologies modernes ne seraient pas possibles, notamment les accélérateurs de particules, l’IRM et les trains maglev.

Le problème est que toutes ces applications sont basées sur la supraconductivité à basse température, où les matériaux ne sont supraconducteurs que lorsqu'ils sont refroidis à de basses températures comme 20°K/-253°C/-423°F, y compris avec de l'hélium liquide.

Pour certaines applications comme les aimants dans les réacteurs à fusion expérimentaux, la température requise peut être aussi basse que 4°K (seulement 4 degrés au-dessus du zéro absolu), bien que cela soit en amélioration (voir ci-dessous).

Des températures aussi basses sont difficiles à maintenir et consomment beaucoup d’énergie. Ainsi, même si d’autres technologies et applications pourraient bénéficier de la supraconductivité, cela est rarement économiquement viable.

Supraconductivité à haute température

C’est pourquoi la possibilité que des matériaux puissent rester supraconducteurs à des températures plus élevées est une perspective passionnante. Dans ce contexte, la température « élevée » peut atteindre -185°C à -135°C mais celle-ci est beaucoup plus facile à atteindre que la température supraconductrice traditionnelle, en utilisant de l'azote liquide au lieu de l'hélium liquide.

Mais bien sûr, le matériau idéal serait supraconducteur à des températures juste en dessous de zéro ou même à température ambiante.

Supraconductivité à température ambiante

À l'été 2023, un morceau de la nouvelle est devenue virale après la publication d’un article scientifique intitulé «Le premier supraconducteur à pression ambiante et à température ambiante». Un matériau appelé LK-99 a été décrit comme fonctionnant comme supraconducteur jusqu'à 127°C/260°F. Le fait qu’il ait utilisé des matériaux courants comme le cuivre et le plomb (apatite de plomb substituée par le cuivre – CSLA) n’a fait qu’ajouter au potentiel de la découverte.

Cristaux de cuivre – Source : DOE

Cela a même déclenché une micro-bulle sur les actions liées à la supraconductivité, avec par exemple un +60% sur le cours des actions américaines Superconductor.

Cette affirmation a été immédiatement contestée et jugée difficile à reproduire.

Histoire de la supraconductivité LK-99

Mais cette histoire n’est pas encore terminée. En janvier 2024, deux autres équipes de recherche ont également observé le potentiel du LK-99 pour supraconductivité.

Il est intéressant de noter que chaque équipe a recréé sa propre version du LK-99 à l’aide de différentes méthodes de fabrication, ce qui indique que les résultats observés sont probablement davantage liés au matériau qu’à une éventuelle impureté ou erreur.

Il y a donc un peu d’espoir qu’il ne s’agisse pas d’une fausse alerte. Ce qui semble être le cas, c’est que le processus de fabrication est, pour l’instant, extrêmement inefficace, ce qui fait qu’il est facile pour un test de se révéler négatif.

Il n’est donc peut-être pas surprenant que la reproduction de la découverte initiale du LK-99 ait été tout sauf simple.

« …même les échantillons synthétisés selon le procédé le plus connu actuellement (celui qu'ils ont utilisé) ont tendance à contenir un pourcentage élevé de matière non supraconductrice mélangée aux éléments prétendument supraconducteurs. Dans ce cas, il est facile de déclarer à tort des échantillons comme morts, même après les avoir testés. »

l’un des échantillons supraconducteurs sur lesquels ils ont basé leur article a été fabriqué en novembre 2023, déterminé comme étant un raté et était sur le point d’être détruit à plusieurs moments de sa vie.

Source: Matériel de Tom

Potentiel de supraconductivité

Même si les supraconducteurs à température ambiante restent insaisissables, les chercheurs pourraient trouver un moyen de maintenir les matériaux supraconducteurs à des températures aussi « élevées » que -80°C à -70°C.

Cela changerait complètement les applications possibles, car la supraconductivité pourrait alors s’appuyer sur la technologie de refroidissement utilisée dans les congélateurs stockant les vaccins à ARNm au lieu de l’hélium ou de l’azote liquide plus coûteux.

Parmi l' applications possibles déjà discutées dans les années 1990 sont:

• Une meilleure IRM, avec une résolution plus élevée et moins cher à construire et à exploiter, lui permet de devenir un examen médical beaucoup plus courant.
• Systèmes de poussée électromagnétique (aussi appelé magnétohydrodynamique (MHD) drives) pour propulser les navires dans l’eau de mer électrisante.
• Plus puissant et efficace moteurs électriques.
• Des batteries plus denses et plus sûres avec Stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES).
• Limiteurs, interrupteurs et fusibles supraconducteurs pour améliorer l’infrastructure du réseau électrique.
• Transmission de puissance longue distance sans pertes, ce qui pourrait accroître l’efficacité des énergies renouvelables, par exemple avec des panneaux solaires encore exposés au soleil alimentant une ville située à des milliers de kilomètres.
• Moins cher et plus facile à entretenir trains maglev ou version ultérieure sur les systèmes Hyperloop.
• Capteurs/magnétomètres (Dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs – SQUIDS) pour application en milieu industriel.
• Informatique quantique supraconductrice
  • (vous pouvez en savoir plus sur les progrès de l’informatique quantique dans notre article «L'état actuel de l'informatique quantique»).
• Applications de défense et d'aérospatiale, y compris les boucliers anti-radiations, les lancements électromagnétiques, les roulements magnétiques, les capteurs, les railguns, les coilguns, les lasers et autres armes énergétiques.

Source: DOE

Supraconductivité et fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une autre application qui bénéficierait grandement du fonctionnement des supraconducteurs à des températures plus élevées.

Toutes les méthodes permettant de réaliser une fusion nucléaire commerciale reposent sur des aimants extrêmement puissants pour contenir et comprimer le plasma chauffé à des dizaines ou des centaines de millions de degrés.

Après un premier succès en 2021, une équipe de recherche du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT a travaillé à la fabrication d'un aimant supraconducteur suffisamment puissant pour être utilisable dans les réacteurs de fusion nucléaire.

Le nouvel aimant de fusion est supraconducteur à 16 °K, contre 4 °K auparavant. L'une des innovations clés réside dans la suppression de toute isolation autour du fil conducteur de l'aimant. Ceci a permis d'autres améliorations, comme une simplification du procédé de fabrication ou une résistance structurelle accrue.

Source: Phys.org

« Avant la démonstration du 5 septembre, les meilleurs aimants supraconducteurs disponibles étaient suffisamment puissants pour potentiellement produire de l’énergie de fusion, mais seulement à des tailles et à des coûts qui ne pourraient jamais être pratiques ou économiquement viables. Puis, lorsque les tests ont montré l’utilité d’un aimant aussi puissant avec une taille considérablement réduite, « du jour au lendemain, cela a fondamentalement modifié le coût par watt d’un réacteur à fusion d’un facteur de près de 40 en une journée ».

Dennis Whyte – Professeur d'ingénierie Hitachi America

Ils ont publié leurs découvertes dans une compilation de 6 articles scientifiques publiés dans Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée. Ils ont expliqué en détail comment construire de tels aimants à fusion de 16°K, qui génèrent un champ magnétique aussi intense que 20 Teslas.

Tester la limite

Désireux de prouver que la nouvelle conception de l’aimant à fusion peut fonctionner en toute sécurité, ils l’ont également activement mis dans des situations difficiles. Le dernier test a fait fondre partiellement l’aimant dans un coin. Et même la plupart des éléments magnétiques ont survécu (plus de 95 %), démontrant la robustesse de la conception.

Ce qui est tout aussi impressionnant, c’est que le modèle des chercheurs a parfaitement prédit la manière dont l’aimant est tombé en panne.

L'expérience a également testé la chaîne d'approvisionnement pour ce type de matériau, en utilisant 300 kilomètres (186 miles) de supraconducteur à haute température en collaboration avec CFS (Commonwealth Fusion Systems, une société dérivée du MIT)

L'avenir de l'aimant supraconducteur de fusion

Pendant encore un certain temps, les réacteurs à fusion s'appuieront sur des supraconducteurs bien connus et testés utilisant de l'hélium liquide pour rester en dessous de 20°K.

Cependant, il semble que la supraconductivité à haute température soit non seulement possible, mais probablement réalisable à des températures beaucoup plus gérables.

À long terme, de tels aimants supraconducteurs pourraient contribuer à améliorer les performances des réacteurs à fusion, ainsi qu'à réduire leur prix, permettant ainsi leur viabilité commerciale.

Cela débloquerait une source d’énergie presque illimitée pour l’humanité, rendant insignifiants nos problèmes actuels concernant la production alimentaire, le dessalement, le changement climatique, les voyages dans l’espace, etc.