Les drones et leur rôle dans l'inspection ferroviaire

La robotique est un secteur d’avenir avec un gros potentiel économique, une industrie qui dépasse les milliards de dollars de revenus dans le monde. Cette industrie démontre son utilité dans l’automobile, l’aérodynamique ou encore dans le domaine pharmaceutique. Cela révèle alors qu’elle touche à différents domaines. Concentrons nous alors sur un domaine en particulier : le ferroviaire. En effet, l’usage des drones volants est en train de révolutionner le monde des chemins de fer. Les réseaux ferroviaires, notamment la SNCF, ont donc fait le choix de développer les technologies,  comme la robotique pour le déploiement de drones, car il était primordial d’améliorer la sécurité et faciliter le traitement de ces réseaux. Ces aéronefs télépilotés sont, dans l’usage professionnel, généralement équipés d’un GPS et même parfois d’un système anti collision. La SNCF a ainsi effectué des contrats avec des partenaires tels l’ONERA (Office Nationale d’Etudes et de Recherche Aérospatiale) ou Altametris, qui restent les deux partenaires principaux du ferroviaire en terme de robotique.

L’objectif de ces partenariats est de développer des technologies innovantes et concevoir des systèmes drones sur mesure pour des applications spécifiques à la SNCF, comme par exemple mettre en place l’automatisation de ces drones pour ainsi rendre la tâche plus pratique et efficace pour les travailleurs, en remplaçant un des aspects de la surveillance ferroviaire. Les différentes entreprises mettent leur connaissances technologiques acquises depuis plus de 20 ans au service de la SNCF, en partant du traitement d’image pour aller jusqu’au développement de nouveaux capteurs ou bien même des exercices de simulation, qui permettent d’avoir une meilleure idée du produit fini avant sa mise en place.

En effet, ces drones automatisés sont dotés de capteurs aériens, c’est à dire qu’à partir de chaque image étudiée par le capteur du drone, il est alors possible d’effectuer des cartes 3D, en passant par un nuage de points à très haute densité, pour reproduire les espaces ainsi étudiés avec une très haute précision. Ces capteurs sont pour la plupart des capteurs LiDAR (Light Detection And Ranging) , des capteurs laser qui mesurent le « temps de vol » («TOF» ou «Time-Of -Flight») basé sur l'analyse des propriétés d'un faisceau laser infrarouge renvoyé par la cible vers son émetteur. Pour faire simple, le LiDAR envoie une impulsion laser vers une surface qui réfléchit ce rayon et le renvoie vers la zone d’impulsion. Ce laser réfléchi est capté par le LiDAR et ainsi calcule le temps de trajet du rayon. C’est grâce à ce processus répété des millions de fois par ces instruments qu’il est donc possible de réaliser les cartographies 3D énoncées précédemment. Ces drones sont déployés dans certains domaines du ferroviaire et possèdent de multiples utilités qui facilitent la construction, la surveillance ou simplement le bon fonctionnement du réseau. 

Ils peuvent effectuer des diagnostics thermiques, par exemple le relevé de l’ensemble d’une toiture de gare peut être effectué en une demie journée, et cela permet ainsi de signaler le moindre défaut de construction ou d’usure des matériaux, même en milieu confiné. De plus, ces drones garantissent la sécurité : en inspectant les réseaux électriques et les caténaires, ces drones peuvent établir un suivi des infrastructures en remontant à la succession des étapes de construction des réseaux. Ils effectuent des états des lieux des rames et détectent le moindre défaut, à l’aide de capteurs d’ultrasons et de vibrations. Ces capteurs sont utilisés pour détecter des anomalies structurelles comme des fissures ou des fractures dans le béton ou le métal des rails et des ponts.Car par exemple pour les ponts ou les viaduc, l’accès à la structure entière est difficile pour un agent classique. Alors ces drones permettent un état des lieux plus rapide et plus efficace que si un simple ouvrier devait faire la même « mission ». Mais  ces capteurs servent aussi à détecter le moindre inconvénient pour les ouvrages en terre, c’est-à-dire la modification des terres pour l’implantation d’un milieu ferroviaire. Enfin, ils améliorent grandement la surveillance des réseaux, en facilitant les inspections des tunnels ou des ponts, de nuit notamment. Ils rendent les reconnaissances faciales par vidéo ou photo plus efficaces qu’avec une caméra fixe, car celles ci peuvent être plus facilement  évitées par les habitués. Lors du festival Millésime, vers la gare de La Réole, les agents n’avaient besoin que de leur drone pour surveiller que personne ne traversait les voies des chemins de fer, ce qui permettait une surveillance optimale tout en facilitant le travail des agents. Enfin, ces drones sont d’autant plus avantageux qu’ils ne sont pas si coûteux pour une entreprise aussi importante que la SNCF. En effet, il faut débourser environ 3000€ pour l’achat d’un drone, mais ces investissements restent rentables pour la compagnie par tous les avantages qu’ils rapportent. 

Pour conclure, l’usage des drones par la SNCF,avec le soutien d’entreprises comme l’ONERA, facilite les manœuvres et renforce la sécurité et la surveillance des réseaux ferrés. Ainsi, les drones sont une avancée et un avantage considérable dans le domaine ferroviaire.

Blog réalisé par : Arthur DAVIAU, Garance DOUCET, Lia BEN-NATAN, Ulysse BOYER

Sources :
https://www.onera.fr/sites/default/files/communiques/pdf/2017-06/CP-Drones_ONERA_SNCF_VF.pdf
https://lerail.com/news/37246-l’utilisation-ferroviaire-des-drones-avec-altametris#:~:text=Les%20drones%20permettent%20de%20réaliser,200è%2C%20à%20une%20précision%20centimétrique.
https://emploi.sncf.com/actualites/innovation/drones-pour-maintenance-et-surete-lignes-chemin-de-fer
 

Un signal lumineux pour nous protéger des rayonnements ionisants

Les effets néfastes de la radioactivité et des rayonnements ionisants sur le corps humain sont bien connus. Ces derniers peuvent affecter les cellules et l’ADN de manière imperceptible et irréversible, ce qui peut avoir des conséquences pour la santé: augmentation de la probabilité de développer un cancer, maladies génétiques ou encore des malformations et des effets sur la reproduction. Cependant, sait-on vraiment ce qu'est ’un rayonnement ionisant et pourquoi sont-ils aussi dangereux ? Et surtout comment les personnes qui sont susceptibles d'être en contact avec ces rayonnements peuvent s’en protéger ? 

                                                                               

Un rayonnement est dit ionisant lorsque l’énergie émise est suffisamment importante pour arracher des électrons aux atomes qu’il traverse, les transformant ainsi en ions (1), ce qui engendre l’instabilité de la matière. Un atome instable va chercher à se stabiliser, et ce en émettant un des 3 types de rayonnements. Les rayonnements alpha, qui engendrent la perte d’un proton ou neutron grâce à l’émission d’un noyau d’hélium, les rayonnements bêta plus (+) ou moins (⁻) qui permettent la conversion d’un neutron en proton grâce à l'émission d’un électron ou d’un positron, particule chargé positivement. Finalement nous avons les rayonnements  gamma , qui émettent des photons de très haute énergie. Ces rayonnements provoquent plusieurs effets sur l’organisme dépendants de la dose reçue et du type de rayonnement. Les rayonnements alpha par exemple pourront être arrêtés avec une simple feuille de papier mais seront beaucoup plus dangereux pour la santé s’ils sont ingérés ou inhalés, que les rayonnements gamma qui eux peuvent traverser plusieurs mètres de béton et sont plus insidieux. Pour que cela devienne dangereux pour l’homme il faudrait dépasser la limite d’exposition du public fixée qui est de 1 millisievert par an (unité de radioprotection mesurant la dose de rayonnement reçue, mSv/an), (2) en plus des expositions médicales et naturelles. En effet nous sommes toujours en contact avec des rayonnements ionisants car la radioactivité est présente en très faible dose de manière naturelle. Il existe tout de même des secteurs ou les travailleurs sont plus exposés aux rayonnements. Pour les travailleurs du nucléaire, la limite réglementaire d'exposition en France établie par l’Agence de l'énergie nucléaire est de 20 mSv/an. Le nucléaire est très utilisé dans plusieurs secteurs de la société, c’est le cas notamment dans le secteur de l’énergie avec l’énergie nucléaire, mais aussi en médecine, où les rayons ionisants sont une façon de traiter certaines maladies comme les Cancers. Néanmoins le contact à répétition avec les rayons ionisants représente un danger pour la santé des travailleurs de ces secteurs. 

Face à ces risques, il est essentiel de mettre en place des mécanismes de contrôle et de protection, tant pour les travailleurs que pour la population en général. 

Un des moyens de prévention est d'établir des taux limite de doses de rayonnements, et pour contrôler que les travailleurs des secteurs du nucléaire ne dépassent pas ces doses, des appareils de mesure sont utilisés tel que les compteurs Geiger-Müller permettant de mesurer avec une certaine précision les rayonnement arrivant à l'appareil en un instant t (3). Un autre type d’appareil est le dosimètre thermoluminescent TLD, dont nous allons voir justement en détail le fonctionnement et ce qui rend cet appareil aussi utile dans les secteurs du nucléaire. Un dosimètre TLD, est capable de restituer sous la forme de lumière les rayonnements reçus: plus le dispositif a reçu de rayonnements, plus la lumière restituée sera forte en intensité. Cela est possible grâce au phénomène de thermoluminescence.

Exemple de différents dosimètres TLD se plaçant sur différentes parties du corps selon les endroits exposés.

Commençons donc tout d’abord par définir ce que c’est que le phénomène de thermoluminescence.

Lorsque certains matériaux à structure cristalline, ayant au préalable été en contact avec des rayonnements, sont chauffés, l’agitation thermique permet au matériau de rétablir sa structure cristalline, lors de ce processus de réparation il existe une émission de lumière, c’est cela qu’on appelle phénomène de thermoluminescence (4). 

Ce phénomène sert surtout à l'identification de radioactivité et de rayonnements ionisants. En effet, le dosimètre thermoluminescent  est capable de donner une mesure de la dose émise et du type de rayonnement mis en jeu. Ils sont souvent constitués de matériaux cristallins et notamment de fluorure de lithium (FLi), élément qui va se dégrader à cause de l'énergie apportée par ces rayonnements, les imperfections laissées seront comme une empreinte digitale du rayonnement en question qui permettra l’analyse par la suite . Après utilisation, les dosimètres sont chauffés, ce qui permet aux matériaux cristallins de se reconstituer et d'émettre des photons lumineux, leur intensité, qui dépend du type de rayonnement, sera par la suite analysée. Ces dispositifs sont amplement utilisés, depuis une quinzaine d’années car le matériau thermoluminescent peut être ajusté pour répondre à la sensibilité nécessaire à l'application souhaitée. Autrement dit, la dimension de l’élément de détection peut être petite. Cela permet de moduler la technique pour faire de la dosimétrie d’extrémité, ou du cristallin. Par exemple, les bagues thermoluminescentes, servant à la mesure de la dose de radioactivité au niveau des doigts lorsqu’ils y sont exposés, sont composées d’un détecteur  lui-même composé d’une pastille de fluorure de lithium. Lorsqu’un phénomène de radioactivité a lieu, la pastille est chauffée et émet une lumière proportionnelle à l’exposition au rayonnement. Il existe aussi un dosimètre cristallin appelé “DOSIRIS” que l’on positionne à droite ou à gauche de l'œil grâce à un serre-tête et qui est exposé aux rayonnements. Ce dispositif est surtout utilisé dans le domaine médical par les professionnels, souvent exposés aux rayonnements. Ces dosimètres thermoluminescent donnent une mesure précise du rayonnement.

En conclusion, les dispositifs inventés dans le domaine de la radioprotection sont de plus en plus ingénieux et novateurs. Sachant que le nucléaire est de plus en plus utilisé dans plusieurs secteurs de la société et connaît une forte extension, même si fortement controversée, on ne peut pas nier qu'elle est au cœur des enjeux actuels et futurs. Il est donc primordial de renforcer les mesures de sécurité pour protéger la santé des individus, en particulier dans des pays comme la France, où cette industrie occupe une place stratégique.

Rédigé par Rayan Indari; Noham Fernandez; Jean-Michel Marette

Sources:

(1)https://www.irsn.fr/savoir-comprendre/dialogue-pedagogie/quest-ce-quun-rayonnement-ionisant

(2)https://www.asn.fr/l-asn-reglemente/la-reglementation/le-cadre-general-de-la-legislation-et-de-la-reglementation-des-activites-nucleaires#:~:text=La%20limite%20de%20dose%20efficace,et%20%C3%A0%2050%20mSv%2Fan.

(3)https://laradioactivite.com/articles/laboratoire/compteurs_geiger

(4)https://laradioactivite.com/articles/questionsdoses/dosimetresthermoluminescents

(5)https://laradioactivite.r.in2p3.fr/wp-content/uploads/2020/12/Dosimetres_TLD.jpg (source de l’image)

 

LA COULEUR DES PAPILLONS

Qui ne s’est jamais attarder sur l’éclat d’un papillon ? Les couleurs splendides et les motifs presque symétriques de leurs ailes semblent parfois même refléter la lumière du soleil. Les couleurs de ces petits insectes sont en réalité bien plus qu’un attrait esthétique, il s’agit de tout un mode de vie, représentant l’évolution d’une population. En effet, le papillon, petit animal qui se situe en bas de la chaîne alimentaire, est la proie de nombreuses espèces. La couleur de ses ailes devient alors son plus grand mécanisme de défense pour survivre dans son environnement. Elles lui permettent de se camoufler ou d’effrayer ses prédateurs. Par exemple, le papillon peut faire croire qu’il est dangereux en adaptant des couleurs caractéristiques d’autres espèces plus toxiques. Cet insecte délicat est aussi soumis à une sélection sexuelle non négligeable, cherchant à assurer la survie de l’espèce en choisissant le partenaire idéal pour subsister dans son écosystème. Notamment chez les Morphos (papillons d’un bleu ardent), les femelles choisiront comme partenaire les mâles donc la couleur ressort le plus, car cela implique une bonne santé de l’insecte. 

Ces couleurs très variées proviennent à la fois d’un jeu de lumière et de la composition interne des ailes. Intéressons-nous-y :

La couleur, sous toutes ses formes, constitue un phénomène universel présent dans la nature. En effet, on la retrouve dans la plupart des êtres vivants, de la couleur des fleurs qui attire les pollinisateurs, aux nuances des plumages d'oiseaux. D’abord, on pourrait différencier la couleur comme capacité à produire des couleurs et les couleurs caractérisant une espèce. La capacité à produire des couleurs est universelle et a donc une origine commune pour toutes les espèces. Parler d’une origine commune, c’est parler de ce qui constitue tous les êtres vivants : le code génétique. Les couleurs produites résultent de l'expression de ce code, une expression qui résulte en la synthèse de pigments. La lumière est une onde, les pigments sont des éléments qui  absorbent certaines longueurs d'onde de la lumière et en réfléchissent d'autres : alors la couleur résulte de la capacité des objets à absorber certaines longueurs d’ondes. 

Alors d'où vient la biodiversité de couleurs ? Elle peut alors trouver son origine dans la structure même des pigments. Des structures différentes de pigments induisent une capacité d’absorption différentes. Par exemple, Un pigment a cycle aromatique aura une absorbance différente d’un pigment avec cycle et un hétéroatome (atome n’étant pas un hydrogène ou un carbone). En effet, pour un cycle qui est un agencement de liaison simple avec présence de liaison multiple, un pigment avec cycle aromatique aura une absorbance spécifique due à la délocalisation des électrons des liaisons π. Avec un hétéroatome, le nuage électronique est modifié changeant la géométrie de la molécule et donc changeant son absorbance. Alors à la manière de la mélanine chez les humains ou de la chlorophylle chez les végétaux, ces mêmes pigments déterminent la couleur des êtres vivants. 

D’un point de vue entomologique, soit dans l’étude des insectes, caractériser la couleur comme capacité commune de produire de la couleur, c’est souligner son importance dans la survie des espèces. Étudier la couleur des papillons revient à se questionner sur l’application de la couleur comme facteur de survie d’espèce et de biodiversité. En effet, affirmer l’origine commune de la couleur c’est se questionner sur l’origine de la biodiversité des couleurs des ailes des papillons. Les ailes de papillons sont recouvertes d'écailles. Leur couleur se résume en l’expression de différents pigments, à différentes intensités. Sachant que chacune des écailles représente un pigment d’une intensité unique, la couleur des ailes est la juxtaposition de ces écailles, à la manière d’une mosaïque. On parle alors de mélanine (brun), de caroténoïde (rouge, orange) ou encore de ptérines ( jaune pâle) comme pigments. Dans l’exemple de la thermorégulation : les couleurs sombres absorbent plus la chaleur, indiquant que la couleur joue un rôle dans la vie et la survie de l’espèce. De même que la couleur joue un rôle stratégique dans la prédation, la couleur reste avant tout une question de point de vue.

La couleur structurelle, notamment l'iridescence, représente un phénomène particulièrement intrigant. Ce phénomène nous montre que la couleur que l’on perçoit dépend du point de vue, littéralement. C’est lié aux interactions entre les ondes lumineuses, comme l’interférence et la diffraction. En effet, la diffraction est la déviation des ondes, comme la lumière, lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou traversent une ouverture, créant des motifs d'interférence caractéristiques. Par ailleurs, l’interférence est le croisement de deux vagues de lumière: certaines longueurs d'onde vont alors s’additionner (et donner une couleur), tandis que d'autres vont s’annuler, créant des changements de couleurs selon l'angle. On voit ça dans des phénomènes tout simples, comme les bulles de savon ! Quand la lumière se reflète sur leur surface et traverse la membrane, elle crée toute une palette de couleurs qui change selon le regard.

C'est pareil pour les ailes de papillons. Leurs ailes ayant une structure microscopique parfaitement bien organisée, assurent des effets d’interférence. Elles sont composées de plusieurs couches d’écailles disposées à des hauteurs et orientations précises, qui réfléchissent certaines longueurs d'onde et bloquent d'autres, ce qui donne des couleurs éclatantes et changeantes selon l'angle sous lequel on les regarde.

De plus, l'angle de la lumière et celui de l’observateur jouent un rôle essentiel dans ce qu’on perçoit. Et oui, les ailes de papillons sont souvent hydrophobes (elles repoussent l'eau). Cela permet aux ailes de garder leur structure intacte, permettant de mieux réfléchir la lumière pour intensifier l’effet iridescent.

Par ailleurs, l’humidité et la température influencent aussi l'apparence des couleurs. Les couleurs claires, qui reflètent plus la lumière, sont associées à des températures plus basses, alors que les couleurs sombres absorbent plus de lumière et retiennent mieux la chaleur : un atout précieux pour que les papillons s'adaptent à leur environnement.

Enfin, certaines écailles des papillons fonctionnent comme des cristaux photoniques. Ces structures complexes manipulent la lumière en bloquant certaines longueurs d’onde tout en laissant passer d’autres. Cela crée des couleurs éclatantes et des reflets particuliers qui ne proviennent pas de pigments, mais directement de la façon dont la lumière interagit avec ces structures. En bref, ces écailles donnent aux papillons des couleurs vives et changeantes selon l’angle de vue.

La couleur des ailes ne vient donc pas uniquement des pigments, elle résulte également de phénomènes physiques qui modifient la façon dont la lumière se reflète, offrant un panel de couleurs.

Ainsi, le papillon est un parfait exemple d’application de la couleur, acteur majeur de son mécanisme de défense assurant sa survie, tant d’un point de vue biologique que physique. Cet insecte délicat, symbole de la magnificence que procure la symbiose de la physique et de la chimie, est également une source de technologies époustouflantes à l’origine de nombreuses découvertes et innovations technologiques développées par biomimétisme.

Blog écrit par : 

Sources : Aysenur ALTINTAS, Lamya EL HADDOUCHI, Amel MESSAOUDI, Nariman ZITOUNI

https://www.saint-quentin.fr/108-musee-papillons.htm 

https://sciences.sorbonne-universite.fr/actualites/dou-viennent-les-merveilleuses-couleurs-des-papillons 

https://blog.jove.com/video/natures-most-beautiful-optical-illusion-butterfly-wings 

https://blog.3bee.com/fr/parce-que-les-papillons-sont-colores/

https://esprit-papillon.com/blogs/papillon/papillon-couleur#:~:text=Elle%20provient%20des%20pigments%20qui,que%20chez%20nous%2C%20les%20humains. 

https://www.bioxegy.com/post/papillon-morpho-et-biomimétisme

La supraconductivité et le projet ITER

Lors de la création d’un champ magnétique puissant, il est nécessaire de faire passer un courant électrique dans les matériaux conducteurs. Cependant, ce processus présente un problème majeur : la résistance électrique. Lorsque le courant traverse un conducteur, les électrons en mouvement entrent en collision avec les atomes du matériau, qui vibrent naturellement. Ces collisions provoquent une perte d’énergie sous forme de chaleur. Dans un champ magnétique, une force appelée force de Lorentz agit sur les électrons en mouvement, perpendiculairement à leur direction.Cette force dévie la trajectoire des électrons en une courbe, souvent hélicoïdale (en forme de spirale), les forçant à parcourir une distance plus longue dans le matériau. Ceci entraîne un plus grand nombre de collisions et donc une plus grande perte d’énergie sous forme de chaleur.

Toutefois, il est possible d'annuler cette résistance électrique. En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert que, lorsque certains matériaux sont refroidis à des températures extrêmement basses (de l'ordre de -270°C), la résistance électrique disparaît, éliminant ainsi les pertes d’énergie. À ces températures, les atomes vibrent moins, réduisant les collisions avec les électrons. Moins perturbés, ces électrons peuvent s'associer par paires, grâce à des interactions avec le réseau cristallin du conducteur. Ces paires, appelées paires de Cooper, sont plus stables et peuvent se déplacer dans le champ magnétique sans collision avec les atomes. Ainsi, il n’y a pas de perte d’énergie. Les forces de Lorentz s’appliquent toujours, mais les électrons rencontrent moins de vibrations atomiques, leur mouvement est donc moins perturbé. Ces matériaux qui n’opposent quasiment aucune résistance au passage du courant électrique sont appelés matériaux  supraconducteurs comme le mercure qui est le premier à avoir été découvert, le niobium ou encore le plomb. La supraconductivité permet ainsi de produire un champ magnétique sans perte d’énergie, ce qui est crucial pour des applications comme la fusion nucléaire, notamment dans le projet ITER.

Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) est un Tokamak, une machine conçue pour réaliser des réactions de fusion nucléaire. Ces réactions ont lieu dans un plasma chauffé à 150 millions de degrés Celsius, soit dix fois la température du cœur du Soleil. À de telles températures, il est impossible de confiner le plasma dans un matériau solide, car celui-ci fondrait instantanément. C’est pourquoi des champs magnétiques puissants sont utilisés pour maintenir le plasma confiné, sans contact direct avec les parois du réacteur.

Cependant, étant donné la taille massive des électroaimants (24 mètres de diamètre pour le plus grand aimant toroïdal (à rappeler qu’un aimant de forme toroïdal correspond à un aimant dont la surface géométrique est engendrée par la révolution d’un cercle), et 14 mètres de hauteur pour les 18 aimants verticaux), la quantité d’énergie nécessaire pour les alimenter rendrait l’opération non rentable. Si les aimants d’ITER étaient en cuivre, il faudrait l'équivalent d'une centrale nucléaire (environ 800 MW) pour les alimenter, ce qui en deviendrait problématique. De plus, la résistance électrique de ces aimants entraînerait l’échauffement des conducteurs, pouvant les faire fondre.

La solution réside dans l’utilisation de la supraconductivité. De cette manière, il n’y a que très peu de perte d’énergie, et moins d’énergie est nécessaire pour alimenter les aimants. En effet, seuls 20 MW sont nécessaires pour alimenter les aimants supraconducteurs d'ITER, dont la majorité est consacrée au système de refroidissement (loin des 800 MW requis pour des aimants en cuivre).

Les aimants d’ITER sont principalement constitués de niobium-titane, un alliage supraconducteur qui permet de conduire le courant sans perte d’énergie à basse température. Ces aimants doivent être refroidis à -269°C, grâce à un type de câble supraconducteur inédit : le « câble-en-conduit », où les brins supraconducteurs sont enfermés dans une gaine d’acier, avec un fluide de refroidissement circulant à l’intérieur. Le fluide utilisé est de l’hélium superfluide, un liquide capable de s’écouler sans viscosité à des températures extrêmement basses, offrant plusieurs avantages : il reste liquide contrairement à l’eau qui gèlerait, et ses propriétés superfluides permettent de transférer la chaleur de manière efficace. L’hélium superfluide est produit directement sur le site d’ITER, à Cadarache, dans une usine cryogénique spécialisée.

Pour éviter le transfert de chaleur entre le plasma et les aimants, plusieurs systèmes sont mis en place : des boucliers thermiques, une isolation avancée composée de plusieurs couches de matériaux isolants créant un vide thermique, et la conception d’un cryostat, une enceinte conçue pour maintenir un environnement ultra-froid tout en étant exposée à des températures élevées à l’intérieur. 

La supraconductivité est donc essentielle à un projet comme ITER, sans quoi il n'aurait probablement jamais vu le jour.

Blog écrit par: Emmy LAURENT, Audrey FERREUX et Anna GEERTS

Sources :               

• site officiel projet ITER https://www.iter.org/fr/en-quelques-mots
• Youtube : “Fusion nucléaire, les promesses d’une énergie” Arte
• Youtube : “Le projet ITER : la fusion nucléaire, l’énergie du futur ?” Balade Mentale 
• Youtube : “[Comment ça marche] Qu’est-ce que la supraconductivité ?” CEA
• Youtube : “C'est quoi la supraconductivité ?” esprit sorcier
• Youtube : “La fusion nucléaire, l’énergie du futur”  tf1 info
• site ITER https://www.iter.org/fr/machine/aimants
• article culture sciences de l'ingénieur Paris Saclay “les supraconducteurs ces matériaux fascinants” 

Les déchets radioactifs

Pour répondre à nos besoins énergétiques s’accroissants de jours en jours, l’un des moyens de production d’énergie vers laquelle se tournent plusieurs pays est le nucléaire : il répond d’une part à la problématique environnementale (faible émission de CO2) et à celle du rendement. Cependant, l’inconvénient principal du nucléaire sont ses déchets : produire de l’énergie implique la formation de déchets nucléaires, et donc nocifs pour le vivant (dont les humains). Actuellement, la plupart de nos déchets nucléaires sont enfouis sous terre [4] dans des bunkers et caves hermétiques, là où les radiations n’atteindront personne. Nous prenons alors soin de ne pas construire ou creuser près des endroits où nous stockons nos déchets radioactifs. Mais une civilisation postérieure à la nôtre, ne sachant pas qu’il y a des déchets à tels endroits, pourrait se lancer dans des projets de construction à ces endroits et tomber sur les déchets radioactifs en creusant le sol. Cela poserait un risque grave pour la santé des ouvriers et des habitants de cette future civilisation. Comment pouvons-nous donc transmettre l’emplacement des sites d’enfouissements à des post-civilisations qui n’auront ni la même culture ni la même langue que nous ?

Bonne nouvelle, les déchets radioactifs disparaissent avec le temps : c’est ce qu’on appelle la décroissance radioactive. Les atomes radioactifs issus des réactions nucléaires se produisant dans les réacteurs sont instables et se re-stabilisent en émettant des rayons radioactifs nocifs. Les déchets radioactifs ont tous une demi-vie. Soit un temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs se seront re-stabilisés. Nos déchets radioactifs actuels ont soit une demi-vie courte (ces déchets deviennent sûrs au bout de 300 ans) soit une demi-vie longue (ces déchets deviennent sûrs au bout d’environ 105 années, comme le Pu242 [2] [1]). Ce sont ces derniers qui posent problème, car d’après la collapsologie -l’étude très large de la fin de notre civilisation-, il est très probable que notre civilisation s’arrête avant l’inactivité de ces déchets [5], ce qui rend réelle la menace d'un forage au mauvais endroit par une nouvelle civilisation.

La sémiotique nucléaire [4], un champ de recherche dont le seul but est de trouver une manière d’avertir les futurs habitants de la Terre nous a donné plusieurs champs de recherche. Dans le cas d’une transformation douce de la société, les installations de stockage des déchets pourraient s’incorporer à la culture, de telle sorte que l’information du danger que représente les déchets soit transmise de générations en générations [6]. Même si l’humanité régresse en science et connaissance, nous inventerons aisément quelque mythologie pour contraindre le reste de la population à ne pas s’aventurer dans ces endroits. Par exemple, en Europe, les modèles d'avertissement reposent principalement sur l'intégration des installations de stockage des déchets au sein de la société, de telle sorte que les informations sur leur présence puissent être transmises à travers le temps et les âges [6].   

Cependant, dans le cas d’une fin brutale de notre civilisation, il n’y aurait aucune transmission de ce type. Il faut donc réfléchir à des alternatives qui nous permettront de faire passer un message à des civilisations avec lesquelles nous n’auront rien ou presque rien en commun. 

La création de gigantesques monuments effrayants autour de sites radioactifs et un renforcement de la difficulté d’accès au site pourrait être une des voies de transmission de la dangerosité de ces sites. De plus, dans des archives enfouies autour du site et à l’intérieur, on écrirait sur du papier spécial de longue vie (qui n’est pas réellement du papier mais plus un alliage de métaux) un message facilement déchiffrable par des archéologues d’autres langues, sur la dangerosité du site, et qui tiendrait plusieurs dizaines de milliers d’années au mieux. Le principal inconvénient de cette idée est qu’elle pourrait produire l’inverse de l’effet désiré : ces monuments pourraient attirer des archéologues, des explorateurs qui n'attendront pas le déchiffrement de nos indications, ou alors qui les braveront, ou de simples civils faisant de l’urbex [7] (tout cela sachant que le papier de longue vie ne tiendra pas aussi longtemps que la radioactivité des déchets). Un cas similaire s'est déroulé lors de la fouille archéologique des pyramides d’Egypte avec la malédiction du pharaon [8]. De nombreux explorateurs se sont rendus dans le tombeau de Toutânkhamon sans peur et sont morts quelques jours après. Une rumeur de malédiction qui s'abattait sur quiconque oserait profaner le tombeau s'est alors répandue. On sait aujourd’hui que la mort de ces explorateurs est due aux nombreux champignons et bactéries qui avaient proliféré dans la salle humide du tombeau et infecté les explorateurs. Une telle légende de malédiction a de très grandes chances d'apparaître en cas d’exploration des zones de stockage par une civilisation ignorante de la radioactivité. 

Parmi les nombreuses solutions à long terme que la sémiotique nucléaire a trouvé, la suivante a retenu notre attention : parlons chat, parlons radiochats [9]. Le projet fou, proposé par Françoise Bastide et Paolo Fabbri, consisterait à développer une capacité de changement de couleur aux chats lorsque ceux-ci sont dans un milieu assez radioactif pour être nocif en les modifiants génétiquement, puis de créer un folklore autour d’eux qui porterait sur la dangerosité de l’endroit lorsqu’ils changeraient de couleurs. Ces chats seraient alors idéalement relachés en pleine nature (après que l’on se soit assuré de l’indifférence de leur introduction dans ce milieu), ou vendu au départ comme produit marketing de luxe sans doute. Le folklore autour de leur détection s’auto-entretiendrait, et pourra se recréer de lui-même. Il nous manque juste ces radiochats. Nous n’avons pas encore la technologie pour en produire mais cela n’est pas totalement insensé, du moins, aussi insensé que d’avoir fait une boulette en viande de mammouth [10].

En conclusion, la sémiotique nucléaire a pensé à de nombreuses solutions pour prévenir les civilisations futures. Mais aucune de ses solutions n’a encore été mise en place, effectivement les préparations à la fin catastrophique de la civilisation ne sont pas aujourd’hui nos priorités.

Pour finir, ce sujet si intéressant mais complexe mérite plus qu’un article de blog pour être expliqué dans les détails. Nous vous invitons à lire nos sources ci-dessous pour plus d’informations sur ce sujet.

Blog écrit par : Cortinovis Basile - Guerrien Antoine - Ben Halima Sassi

1. caminteresse.fr : article sur les déchets radioactifs

2. wikipedia.org : les déchets HAVL

3. vie-publique.fr : le traitement des déchets en france

4. nationalgeographic.fr : l’enfouissement

5. wikipedia.org : collapsologie

6. wikipedia.org : message longue durée de vie

7. urbex : exploration urbaine

8. wikipedia.org

9. The Ray Cat Solution : film documentaire de 14 min sur les radiochats

10. 20minutes.fr : boulette de viande de mammouth

11. theconversation.com : pour voir plus loin

Le synchrotron SOLEIL

 

Synchrotron SOLEIL, CEA Paris-Saclay, 91190 Saint-Aubin

Cet article est associé à un entretien avec  Muriel Thomasset, ingénieure sur le synchrotron SOLEIL au C2N. link

En quoi le synchrotron fait-il avancer la recherche scientifique? Dans Star Wars, Episode IV, le personnage de Han Solo explique au héros Luke la vitesse lumière, une innovation qui permet de voyager à la vitesse de la lumière à travers l’espace. Aujourd’hui, tout le monde sait que c’est impossible, mais l’est-ce vraiment ? Oui et non. Oui d’abord, car on ne peut pas nous même nous projeter à la vitesse de la lumière. Cependant, on peut envoyer des particules à des vitesses très proches de celles de la lumière. Et ça, c’est grâce au synchrotron ! Le synchrotron… En entendant ce mot, tout le monde n’aura pas les mêmes images dans la tête. Certains entendront un mot bizarre, d’autres auront vaguement l’idée d’une obscure machine scientifique dont ils auraient entendu parler grâce à un prof de Physique-Chimie un peu trop optimiste, et d’autres, enfin, auront dans la tête des dessins colorés, et un grand combat mêlant les différents variants multiversels du meilleur super héros (Spider-Man : Into the Spiderverse… que de souvenirs !). Mais ce n’est pas vraiment de ça dont on va parler ici. Le synchrotron n’est ni un mot bizarre, ni une machine obscure, et Wilson Fisk tout comme le Capitaine Kirk n’ont jamais réussi à saisir la subtilité d’une invention tout aussi incroyable qu’utile pour nos chercheurs.

Mais d’abord, c’est quoi, le synchrotron ? D’après Wikipédia (un site certes peu scientifique mais une bonne source d’informations pour commencer les recherches), le synchrotron « est un instrument électromagnétique de grande taille destiné à l’accélération à haute énergie de particules élémentaires ». L’article réservé aux synchrotrons sur le site du Sénat ajoute que “Les synchrotrons sont des grands instruments d’analyse de la matière [...] produisant des rayonnements électromagnétiques de toutes longueurs d’onde”. Un peu compliqué, je vous l’accorde. Bon, pour faire simple, on injecte des protons ou des neutrons, c’est-à-dire des particules minuscules (les composants du noyau des atomes) dans le tube du synchrotron, qui sert d’accélérateur de particules. On leur fait faire des tours du tube en accélérant, un peu comme dans la série The Flash, lorsque Barry court en faisant des tours dans un accélérateur de particules pour atteindre de très grandes vitesses (et voyager dans le temps, ce qui est malheureusement toujours impossible, même avec un synchrotron). Une fois que les particules ont atteint des vitesses avoisinant celle de la lumière, on peut observer leur comportement dans ces conditions particulières. D’éventuelles déformations, l’impact d’une collision entre deux particules, etc... Le but étant de comprendre certaines propriétés de la matière, et ainsi mieux comprendre l’Univers, et notamment sa “naissance”, une partie de l’histoire de l’Univers qu’on ne connaît qu’assez peu.  

 

Alors, à quoi ça sert ? À faire des courses de particules élémentaires ? Même si l’idée a l’air incroyable… pas vraiment… À rien ? Pas vraiment non plus… À observer le comportement de particules à des vitesses proches de celle de la lumière pour mieux comprendre l’organisation de la matière et mieux comprendre l’histoire de l’univers ? Well done, Sherlock ! C’est exactement ça ! En accélérant des particules jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière, on peut en découvrir beaucoup sur le fonctionnement desdites particules et de l’Univers, ce qui est utile pour la physique, la chimie, la biologie, et en allant plus loin à l’histoire et l’archéologie (la datation, ce n’est rien d’autre que de la physique nucléaire, et les noyaux sont faits… de protons et de neutrons !). Le synchrotron est donc loin d’être une machine obscure, c’est un instrument scientifique incroyable ! Et, on en trouve où ? Un peu partout dans le monde, mais ce qui nous intéresse ici, c’est la France, et justement, il y en a plusieurs en France. Il y a quelques semaines, nous avons reçu une ingénieure qui travaillait sur le synchrotron SOLEIL, qui se trouve être en région parisienne. Muriel Thomasset est une ingénieure travaillant sur le synchrotron SOLEIL pour le C2N (Université Paris-Saclay) et qui a travaillé pendant 23 ans sur les synchrotrons français. C’est notamment cette interview réalisée avec elle qui nous a servi de source principale dans la rédaction de cet article de blog.

Et voilà, vous savez maintenant ce qu’est un synchrotron, à quoi ça sert, et même où en trouver. Il ne vous reste plus qu’à devenir ingénieur pour travailler avec Muriel Thomasset sur le synchrotron SOLEIL ! Et si vous l’êtes déjà, et bien félicitations ! À la revoyure !

Auteurs du blog : FIQUET Lucien, MEIMOUN Samuel, OLAGNIER Nans

Sources :

Muriel Thomasset, ingénieure sur le synchrotron SOLEIL au C2N

https://fr.wikipedia.org/wiki/Synchrotron

https://www.senat.fr/rap/r99-273/r99-2732.html#:~:text=Les%20synchrotrons%20sont%20des%20grands,coûts%20de%20mise%20en%20oeuvre.

https://www.synchrotron-soleil.fr/fr

 

Les débris spatiaux : danger ou nuisance ?

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« L’espace, la dernière frontière » mais pas pour très longtemps… L’humanité a toujours été curieuse de savoir ce qu’on trouve au-delà des confins de notre planète et cette curiosité est devenue encore plus intense avec le début de l’ère spatiale en 1957. Neil Armstrong, Michael Collins ou bien Buzz Aldrin sont des noms que vous connaissez certainement : les astronautes de la mythique mission Apollo 11. Mais depuis cette époque qu’est ce qui a changé ?

Au fil du temps, grâce aux progrès technologiques nous inventons de nouvelles fusées pour explorer et découvrir toujours plus, créons l’ISS et allons jusqu'à mener des vols spatiaux privés… Avec celà, nous avons aussi remarqué le début du réchauffement climatique et ses effets sur l'environnement et l'être humain, la croissance vertigineuse des débris spatiaux qui posent aujourd'hui d'importants problèmes de sécurité, non pas seulement pour les astronautes sur l’ISS mais aussi pour tous les satellites humain qui permettent de maintenir la société actuelle et menace le futur des déplacements en orbite de la Terre. Existe-t-il encore une porte d'action qui résoudra le problème ou alors, assistons-nous déjà à la fin de l’exploration spatiale avant même de l'avoir réellement commencée ? 

On entend souvent parler de débris spatiaux comme terme général, mais en réalité ils peuvent être une infinité d’objets et de toutes tailles : étages de fusées, lanceurs, satellites inactifs, boulons, outils perdus par les astronautes… et qui transforment l’orbite de la terre en dépotoir spatial. Ces débris se trouvent essentiellement dans deux régions de l’orbite terrestre: l’orbite basse, située jusqu’à 2000 km d’altitude, où se trouvent principalement les satellites de météorologie ou bien d’imagerie terrestre, mais aussi l’ISS. L’orbite géostationnaire est située à 36.000 km d’altitude, elle abrite quant à elle des satellites militaires ou de télécommunications. Ces déchets principalement issus des fragmentations lors d’une explosion ou collision se sont accumulés aujourd’hui dans des proportions inquiétantes. L’Agence Spatiale Européenne (ESA) estime le nombre d'objets de plus de 10 cm à environ 36.000, jusqu’à 1 million pour ceux entre 1 et 10 cm et 130 millions pour ceux de moins de 1 cm. 

Ce nombre important de débris fait planer sur les satellites encore en activité, mais aussi sur les missions spatiales, une menace. Menace qui en plus dû en grande partie à leurs vitesses élevées (d’environ 42.000 km/h), rendant la collision catastrophique.  Cette pollution, mise en évidence en 1978, par l’astrophysicien américain Donald J. Kessler, qui théorise son syndrome : la collision entre deux débris va auto-entretenir leurs propulsions (principalement à cause du peu de frottement avec l’air dans l’orbite géostationnaire et raréfié dans l’orbite basse) à un rythme encore plus élevé que celui de leurs éliminations. Ce que veut dire en d’autre mots, qu’un effet domino se crée, un cercle vicieux ou un débris en entraîne 10 autres et ainsi de suite…

Jusqu'ici, nous abordons une “menace” mais concrètement, à quoi correspond-t-elle ? Le premier danger est surtout pour les satellites directement. La plupart d’entre eux n’ont pas un blindage capable d’éviter la destruction d’un impact à plus de 40 000 km/h d’objets de 10 cm. L’exemple le plus classique est l’incident du satellite militaire Cerise qui explosa en rencontrant un morceau vieux de 10 ans d’une fusée Ariane se déplaçant à plus de 50 000 km/h. Cet exemple est le premier d’une liste de plus en plus importante, nous rappelons que chaque collision fait émerger de nouveaux débris.

L’ISS est actuellement l’un des satellites les plus importants pour l’humain actuel, ce dernier et les astronomes à son bord sont particulièrement exposés à ce problème : le blindage de la station ne résiste pas aux déchets de plus de 2 cm et seul les débris de 10 cm ou plus sont détectable via radar terrestre. Si une collision d'ampleur venait à se réaliser sur l’ISS, la perte serait non seulement particulièrement grave pour le bilan scientifique, économique et humain mais la création de débris provenant de l’ISS serait dangereuse aussi bien pour plus de satellites que pour des humains sur Terre. A cause de cela, chaque année la station se doit de modifier sa trajectoire afin d’éviter de potentiels impacts. Le danger qu’un accident mortel lié à la chute d’un satellite paraît bien faible mais le risque est réel, une étude de juillet 2022 menée par l’ESA donnerait 10% de chance dans les dix prochaines années. 

Un autre achoppement est l’obstruction du champ de vision de l’espace depuis la Terre. Avec la pollution lumineuse, les observations astronomiques qui ne passent pas par un satellite mais un télescope risquent d’être de plus en plus gênées par les déchets et fausser les études. Cette occupation de plus en plus importante des orbites pourrait même empêcher l’accès à certaines strates de celle-ci.        

Pour conclure, on peut remarquer que la volonté toujours grandissante de l’Homme à vouloir satisfaire sa curiosité, en explorant le monde spatial ou terrestre, s’accompagne d’une quantité grandissante de déchets. Déchets qui malgré leur taille représentent un menace pour les instruments et les missions spatiales dû, en grande partie, à leurs vitesses pharaoniques et leur nombre. 

Auteurs du blog : Vlad-Stefan SERBANESCU, Gabriel WERNAIN, Leonard Penot  

Sources : 

• https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/Space_debris_by_the_numbers

• https://www.nationalgeographic.fr/espace/2020  /10/debris-spatiaux-une-menace-toujours-plus-grande

• https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/recuperation-debris-spatiaux-5-methodes-insolites-debarrasser-dechets-spatiaux-15180

• https://www.tameteo.com/actualites/actualite/alerte-l-humanite-en-danger-face-aux-debris-spatiaux-menace.html

• https://debris-spatiaux.cnes.fr/fr

• https://www.sciencesetavenir.fr/espace/systeme-solaire/question-de-la-semaine_144874

• https://youmatter.world/fr/debris-spatiaux-dechets-espace-pollution-danger/

• https://www.esa.int/Space_in_Member_States/France/Point_de_situation_sur_les_debris_spatiaux

• https://parlonssciences.ca/ressources-pedagogiques/les-stim-en-contexte/debris-spatiaux

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