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lu pour vous numéro 112

Détails

" Lu pour vous " n° 112*

Sommaire

  • Science & Technologie : espace
  • Technologie - matériaux : les futurs stars de la microélectronique
  • Economie : les superpuissances en énergie du futur, Inde, Chine, Chili et compagnie
  • Science & futur : les hydroliennes partent à la conquête des fleuves
  • Astrophysique - recréer l'Univers : la fontaine, miroir à supernova
  • Science : Tara Océans a capturé la diversité de tous les royaumes de la vie

Science & Technologie : espace.

Une année active dans l’espace : deux engins spatiaux vers deux planètes aideront répondre à une question importante sur le système solaire.
Les planètes appartiennent à un même groupe, mais avec des aspects bien différents. C’est spécialement vrai pour les géants gazeux comme Jupiter, mais aussi pour les plus proches, comme Mars.

Cette année, deux engins spatiaux sont en route vers ces deux planètes pour essayer de répondre comment ont pu apparaître deux corps célestes si différents.

La première c’est Juno, la sonde vers Jupiter, lancée en 2011 et laquelle arrivera à destination le 4 juillet 2016, tournant sur une orbite pour vingt mois. Durant cette période, elle étudiera son champ gravitationnel et magnétique, la composition de son atmosphère colorée et ses aurores polaires brillantes. Elle cherchera aussi à déterminer si Jupiter a ou n’a pas un noyau solide.

La « Mars Insight » décollera en mars 2016 et atteindra la planète rouge en septembre. InSight n’est pas un rover. Sa mission la plus importante sera de forer à 5 mètres en dessous de la surface et étudier l’écoulement de la chaleur et son histoire thermique .D’autres instruments mesureront l’activité sismique et les faibles oscillations causées par la gravitation du soleil pendant qu’elle tourne autour sur son orbite, fournissant des indications sur la composition de Mars et de son passé.

Les deux sondes auront des fins amères. InSight tournera pendant 728 journées terrestres avant de s’éteindre définitivement, Juno sera délibérément expulsée de son orbite vers les nuages de Jupiter pour éviter qu’elle s’écrase sur une lune de ses lunes et la pollue avec des bactéries de la Terre.

Source : Time magazine du 25 décembre 2015, signé Jeffrey Kluger.

Technologie – matériaux : les futurs stars de la microélectronique.

lpv1121L’avenir des microprocesseurs ne se limite plus au graphite. Trois « cousins » partagent avec ce dérivé du carbone certaines caractéristiques chimiques et physiques. Avec un petit plus.

Silicène, germanène ou stanène ; ces dernières années, la recherche autour de ces matériaux s’est développée à toute vitesse.
Leur ascension se fait dans le sillage de la recherche sur un autre matériau, star de la seconde moitié des années 2000 et du début de la décennie : le graphène, découvert en 2004 par André Geim et Konstantin Novosolev, deux physiciens de l’université de Manchester, au Royaume-Uni, ce matériau suscite depuis un engouement sans précédent (15 000 publications scientifiques en 2014).

L’Union européenne en a fait un de ses projets de recherche phare « flagship » en 2013. Elle a déjà investi quelque 6 millions d’euros (somme totale, sur dix ans, prévue de 1 milliard d’euros) et mobilise plus d’une centaine d’équipes de recherche, issues de 17 pays européens.
Pour le moment, le graphène peine à tenir ses promesses. Il n’a pas encore trouvé ce qu’on appelle en anglais sa « killer app », une application à laquelle il fait faire un bond spectaculaire en matière d’efficacité.

Les progrès et les besoins de l’électronique sont tels que les transistors sur les microprocesseurs se multiplient et se miniaturisent. La densité de transistors sur un microprocesseur est censée doubler tous les deux ans. Mais il n’en sera plus de même dans un futur proche, de dix à quinze ans au maximum. La faute au silicium, dont les limites de miniaturisation approchent petit à petit.

Le graphène, matériau robuste, flexible et transparent, a fait figure de favori. Mais la difficulté à en faire un matériau capable de transporter le courant à la demande, il n’est pas un semi-conducteur, ont incité les physiciens à explorer d’autres pistes.

Un semi-conducteur est un matériau qui ne conduit pas l’électricité, hormis si les électrons qui se trouvent dans l’une de ses bandes, appelé la bande de valence, sont excités par une certaine quantité d’énergie, provenant par exemple d’une source de chaleur ou de lumière, qui leur permet de passer dans une autre bande du matériau, la bande de conduction électrique.

lpv1122Or, à l’état pur, le graphène n’a pas de bande interdite : il ne possède donc pas de barrière qui permette de ralentir le passage des électrons d’une bande à l’autre. Cela fait de lui un conducteur électrique trop bon pour être intégré dans un transistor (six fois meilleur que le cuivre).

Les chimistes ont bien essayé de pallier ce problème, en mélangeant le graphène à d’autres éléments chimiques, mais aucune solution n’a donné satisfaction.
La recherche prend du temps et, il n’est pas encore question d’abandonner l’idée d’utiliser ce matériau dans les futurs transistors. Cela n’empêche pas certains spécialistes de s’être déjà mis en quête du prochain matériau « miracle ».

Leur choix de se tourner vers le silicène, le germanène et le stanène n’est pas anodin. En effet, un coup sur le tableau périodique permet de constater que ces matériaux sont dérivés d’éléments, respectivement le silicium, le germanium et l’étain, qui appartiennent tous à la même colonne que le carbone, dont est issu le graphène. En quelque sorte, il s’agit de « cousins » du graphène. Cela signifie qu’ils ont des propriétés physiques et chimiques semblables à celles du graphène.

Première de leurs caractéristiques communes avec le graphène : la pureté. Silicène, geremanène et stanène sont tous trois issus d’un seul élément chimique, capital pour les chimistes. Il est en effet plus facile de fabriquer des échantillons « prêts à l’emploi » à partir d’un matériau unique que d’un assemblage de matériaux.

lpv1123La structuration en deux dimensions est une autre de leurs ressemblances. A une infime nuance près. Dans les films de graphène, les atomes forment une structure en nid-d’abeilles parfaitement plane. Dans les trois « cousins », les liaisons entre les atomes qui les composent sont réparties sur deux plans, espacés de quelques centièmes de nanomètres, 4 pour le silicène . Ce de fait, leur structure est légèrement ondulée.

Cette caractéristique, que l’on retrouve sur d’autres matériaux envisagés pour remplacer le graphène, n’est pas un handicap. Elle autorise même que dans des films de graphène, la présence de ce qu’on appelle des porteurs de charges rapides, un signe des excellentes capacités de conduction d’un matériau.
Cette configuration en deux plans s’adapte aussi très bien aux transistors électroniques. Elle y procure même un avantage. « La répartition des atomes sur deux plans permet de créer et de contrôler plus facilement une bande interdite, indispensable pour faire du matériau un semi-conducteur. Ce décalage génère en effet de légères différences de niveaux d’énergie entre les atomes de la couche inférieure et ceux de de la couche supérieure.

lpv1124Les cousins du graphène présentent aussi quelques inconvénients. Premier, leur méthode de production : celle-ci requiert des conditions spécifiques, de température et de pression. Le silicène, par exemple, est produit par un procédé appelé épitaxie, qui consiste à faire chauffer du silicium pur à 250°C environ, dans une enceinte sous vide. Cette méthode fait s’évaporer des atomes de silicium, qui vont se déposer sur un substrat pour créer les films de silicène. On est loin de fabrication du graphène : une simple bande adhésive, que l’on utilise pour exfolier des atomes de carbone d’un bloc de graphite(le même que nos mines de crayon à papier).

Le second point noir majeur est leur instabilité à long terme. Le silicène s’oxyde très rapidement à l’air ambiant et résiste mal aux interférences électriques générées par le substrat sur lequel il est produit : il faut à peine deux minutes avant qu’il perde ses propriétés de conduction ! Pour accroître sa durée de vie, la seule solution est, pour le moment, de le protéger. Soit en empilant plusieurs dizaines de films de silicène : les couches supérieures sont ainsi sacrifiées pour sauvegarder celles qui se trouvent en-dessous. Soit en insérant une bande de silicène entre des couches d’autres matériaux. Même avec ces astuces, on n’a pas encore réussi à préserver du silicène à l’air libre pendant plus de vingt-quatre heures !

Face à ces difficultés, on envisage une troisième voie : plutôt que de chercher à remplacer le graphène par le silicène,le gemanène ou le stanène, pourquoi ne pas les combiner , en tirant partie de des avantages des uns ou des autres ? Andras Kis, de l’Ecole polytechnique de Lausanne est en pointe dans le domaine « C’est un domaine très excitant et très prometteur en termes d’applications », s’explique-t-il.

D’autres candidats.

Le disulfure de molybdène. Synthétisé pour la première fois en 2008, il, est plus épais que le graphène. Mais il possède ses propres avantages : entre autres, il a une bonne capacité à faire circuler les électrons et il est facile à produire en grande quantité.

Le phosphorène. Issu du phosphore, il a été synthétisé pour la première fois en 2014. Les spécialistes vantent ses propriétés électroniques.

Source : La Recherche, N° 506, décembre 2015, par Vincent Glavieux, journaliste.

Economie : les super- puissances en énergie du futur, Inde, Chili et compagnie.

Elles réduisent massivement le charbon, misent sur l’électricité économique et les super-batteries. Cinq pays s’apprêtent à remplacer la Russie et l’Arabie Saoudite comme puissance énergétique.

Pétrole, charbon, gaz, leurs coûts sont en chute libre. De cela souffre entre autres la Russie, sa situation s’enfonce de plus en plus. L’Arabie saoudite essaye d’assurer sa position sur le marché mondial de l’énergie, mais cumule un déficit énorme.

Les problèmes des deux superpuissances de l’énergie indiquent une tendance : l’approvisionnement en énergie se modifie dans beaucoup d’états du monde. Ce changement a des incidences sur les rapports de force globales.

Un nombre croissant de spécialistes comptent encore sur un coût bas, l’offre fait face à une demande en très lente progression.

Les cinq états suivants ont les moyens pour devenir les héritiers de la Russie et de l’Arabie Saoudite.

L’Inde, puissance solaire du futur.

A l’heure actuelle, ce pays est connu pour son manque d’énergie électrique. Plusieurs centaines de millions d’habitants ne sont pas reliés au réseau électrique. Pendant l’été chaud, les coupures sont fréquentes, car les centrales électriques ne produisent pas assez de courant.

Le président Narendra Modi a déclaré l’énergie primordiale. Pour le moment, il augmentera massivement la production de charbon pour rendre son pays indépendant des importations.

Mais jusqu’en 2022, la capacité de l’énergie solaire installée croîtra de 5 Gigawatt actuels à 100 Gigawatt. Sous le soleil, à midi, les installations fourniront l’électricité équivalente à 100 centrales atomiques.

Des entreprises du monde entier ont commencé à s’attaquer à ce projet gigantesque. Elles financent des petites unités dans des villages ou construisent d’immenses parcs solaires .Le bon rayonnement du soleil rend possible aux propriétaires des parcs solaires d’offrir le courant déjà moins cher que celui des centrales au charbon.

USA.

Tout en étant une superpuissance énergétique du point de vue de la consommation, en production, elle ne l’ait qu’en partie : malgré le « fracking », la plus grande économie mondiale importe encore un quart de son pétrole.

Mais, la tendance est claire : les Etats-Unis développent massivement leur économie énergétique. En gaz ils sont déjà autonomes, à des prix bas.
Plusieurs terminaux de gaz liquéfiés exportent la matière première dans tout le monde. Et l’export du pétrole sera permis prochainement .Les Etats-Unis sont également en avant-garde des énergies propres, solaire et éolienne. Egalement, dans la production de batteries pour voitures électriques.

Chine.

Pour les analystes de Bloomberg New Energy Finance (BNEF),la Chine est le pays émergent établi en tête pour les énergies propres. C’est aussi le cas pour les techniques des réseaux électriques, les batteries et les voitures électriques.

Quelques exemples :

Jusqu’en 2025, la capacité des éoliennes atteindra 350 Gigawatt.
Jusqu’en 2020, les installations solaires en fonction atteindront 200 Gigawatt.
Dans les mêmes délais, Pékin veut terminer la construction de 20 centrales atomiques.
Parmi les entreprises, il y a des leaders au niveau mondial comme BYD (batteries, voitures électriques, bus), Kandi (voitures électriques) ou Trina, Jinko et Yngli en solaire.

Chili

De plus en plus d’investisseurs engagent des milliards dans le secteur d’énergie du Chili. L’étude de Bloomberg sur les pays les plus avancés dans les énergies renouvelables place le Chili en troisième position.

Les raisons sont multiples : le pays offre un très fort rayonnement solaire et de bons vents, meilleures conditions pour l’énergie solaire et éolienne. Il arrive en tête de l’intégration, sans subventions, des énergies renouvelables dans le système énergétique.

De plus, le pays dispose des plus grandes réserves de lithium au monde. Le métal se trouve en haute concentration dans les lacs salés du désert d’Atacama et représente la matière de base pour les batteries lithium-ion.

Allemagne.

Le tournant énergétique est formé de plusieurs grands projets. Quelques composants sont mal coordonnés et d’autres projets sont mal accordés avec d’autres pays. Dans l’éolien, des milliers de postes de travail ont été créés et d’autres ce rajouteront.

Des entreprises comme Siemens, Nordex et Enercon sont en tête. Egalement en technologie, dans le domaine des éoliennes offshore ou celui des rotors à vent faible.

Des investisseurs privés et des groupes financiers investissent des milliards pour fournir de l’énergie au pays.
Si le tournant réussira, le système servira à d’autres pays et les entreprises allemandes bénéficieront du transfert de leurs expériences accumulées.
Dans l’avenir, une grande puissance énergétique n’aura pas besoin en premier lieu de matières premières, mais de techniques et d’idées.

Source : Der Spiegel on line, économie du 7 janvier 2016, signé Nils-Viktor Sorge.

Science & futur: les hydroliennes partent à la conquête des fleuves.

lpv1125Première hydrolienne fluviale être raccordée au réseau électrique français, Hydroquest River 1.40 embarque deux turbines qui produisent 40 kW en puissance maximale. Ses pales de 5,9 m de largeur tournent autour d'axes verticaux et s'enfoncent de 1,80 m sous l'eau, ce qui permet de générer de l'électricité. D'un montant global de 4,46 millions d'euros sur trois ans, le projet, installé le long de la Loire, est avant tout un démonstrateur. Sa mise en œuvre a permis de prouver la viabilité de la technologie, mais aussi son respect de l'environnement en montrant que les poissons ressortaient des turbines sans être affectés. A terme, les investisseurs du projet entendent créer de véritables « parcs » hydroliennes en France, mais aussi en Afrique et en Asie.

Source : Science & Vie, n° 1180, janvier 2016, signé E.P.

Astrophysique- recréer l'Univers ·la fontaine miroir à supernova.

lpv1126Un simple flux d'eau, tombant au centre d'un bassin, offre une bonne analogie du phénomène qui se produit au cœur d'une étoile juste avant son explosion chimique dans l'Univers (ci-dessus Cassiopée A, les restes d'une des supernovæ les plus étudiées). Le mécanisme de cette explosion reste mal connu.

On sait que la partie interne de l'astre s'effondre sur elle-même en moins d'une seconde, libérant une énergie à priori suffisante pour faire exploser le reste de l'étoile. Mais comment se forme ce sursaut d'énergie ?

Cela reste un mystère que les télescopes ne permettent pas d'élucider.

Source : La Recherche, N° 506, décembre 2016, signé Vincent Glavieux.

Science : Tara a capturé la diversité de tous les royaumes de la vie.

lpv1127Pour la première fois, la diversité planctonique des océans a été échantillonnée de manière quasi exhaustive, grâce à l’expédition Tara Oceans, lancée par Eric Karsenti.

E. Karsenti dirige l’Institut Jacques-Monod, spécialisé en recherche fondamentale. En 2015 il obtient la médaille d’or du CNRS.
L’expédition Ta ra Oceans a livré en 2015 le résultat de quatre ans d’échantillonnage de la diversité planctonique. Une récolte sans précédent : des dizaines de milliers d’échantillons prélevés, près de 40 millions gènes bactériens identifiés, pour la plupart inconnus jusqu’à présent. Directeur scientifique de Tara Oceans, il est l’un des initiateurs de ce projet.

« Nous avons récolté tous les organismes vivant dans la colonne d’eau, depuis la surface jusqu’à 300 mètres de profondeur. L’objectif était de caractériser la composition des grands systèmes océaniques. Pour cela, nous avons défini 687 zones différentes réparties sur 8 régions océaniques, puis 210 stations. Au total, nous avons récolté 35 000 échantillons.

Nous avons capturé la diversité de tous les royaumes de la vie dans nos échantillons : cela va des virus jusqu’aux petits organismes multicellulaires de quelques millimètres. C’est ce qui constitue le plancton. D’autres plus gros sont également échantillonnés : des larves de pissons, des embryons de méduses, et des fragments d’organismes plus grands. Nous avons ensuite séquencé l’ADN et l’ARN, ce qui nous a permis de caractériser quasi exhaustivement ces écosystèmes d’un point de vue génétique, c’est-à-dire identifier et quantifier toutes les espèces qui en font partie.
Nous avons également caractérisé 40 millions de gènes bactériens, répartis entre les différentes profondeurs. Dans la zone méso pélagique (de 60 à 600 mètres de profondeur), ont atteint plus de 80% de nouveauté. Et là encore, nous proposons une description quasi exhaustive de ces écosystèmes. Nous avons aussi montré qu’il existait une corrélation entre la composition en espèces, la composition en gènes bactériens et la température de l’eau. Si bien qu’on peut prédire à quelle température on va trouver une combinaison de gènes et de bactéries donnée, que l’échantillon vienne de l’océan Indien, de l’Atlantique ou du Pacifique.

lpv1128Chaque grand bassin océanique correspond à un grand tourbillon. Nous nous sommes focalisés sur un de ces tourbillons, dans la zone de l’anneau d’Agulhas, qui mesure 400 kilomètres de diamètre et 4000 mètres de profondeur. Il se forme au Sud de l’Afrique et traverse l’Atlantique. Dans cet anneau se trouve de l’eau de trois océans (Antarctique, Indien et Atlantique Sud). Nous en avons échantillonné le centre. Et surprise, nous avons constaté que les écosystèmes qui s’y développent sont complètement différents de ceux que l’on trouve dans les trois océans. La raison en est que le mélange des eaux océaniques engendre une température spécifique (plus froid qu’ailleurs) au sein de cet anneau.

Nous avons découvert que la diversité génétique était beaucoup plus élevée en profondeur alors que la couche de surface (entre 0 et 5 mètres) à et la zone dans laquelle la concentration en chlorophylle atteint son maximum (entre 5 et 60 mètres de profondeur) ont un niveau de diversité similaire.
Nous avons trouvé que, bien que l’environnement joue un rôle important dans la détermination des écosystèmes, les interactions entre les organismes sont également très structurantes, autant sinon plus que l’environnement, pour déterminer un type de communauté planctonique. Le pourcentage de variation expliqué par l’environnement seulement n’est en effet que de 18%.

Le consortium Tara Oceans va continuer à analyser les données et à travailler à l’étude de cet écosystème marin. La prochaine expédition de Tara Expéditions, consacrée aux coraux, aura lieu en mai prochain, dans le Pacifique Ouest. L’expédition se déroulera principalement en Polynésie, en Nouvelle Zélande, en Australie et au Japon.

Source : La Recherche, N° 507, janvier 2016, signé Bérénice Robert.

*Les articles qui figurent dans cette rubrique sont transmis à titre d'information scientifique et / ou Technique. Ils ne sont en aucun cas l'expression d'une prise de position de l'UDISS ou d'un jugement de valeur

   
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