LHC : une clé pour le futur !

C’est la machine la plus complexe conçue et réalisée dans toute l’histoire de l’humanité. Le Large Hadron Collider, ou LHC, va recréer les conditions de la naissance de l’Univers et partir à la recherche de la mystérieuse matière noire et peut-être nous révéler des dimensions spatiales supplémentaires. En plus de changer radicalement notre vision du monde et de la place que nous y occupons, il pourrait changer notre vie par l’intermédiaire de la bio-informatique. Nous vous proposons une petite visite de l’une des cathédrales de l’esprit humain grâce à ce dossier...
 

« Nous vivons encore dans l’enfance de l’espèce humaine, tous les horizons que sont la biologie moléculaire, l’ADN, la cosmologie commencent juste à s’ouvrir. Nous sommes juste des enfants à la recherche de réponses et à mesure que s’étend l’île de la connaissance, grandissent aussi les rivages de notre ignorance. Sûrement un jour, on peut l’espérer, nous saisirons l’idée centrale derrière toute chose. Elle sera si simple, si belle, si convaincante que nous nous dirons alors Oh, comment cela aurait-il pu être autrement ! Comment avons-nous fait pour rester aveugle aussi longtemps !" » John Wheeler (1911-2008).

La circulation des faisceaux de protons le 10 septembre 2008 à l’intérieur des 27 kilomètres de tube sous ultravide du LHC, le Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons, est l’aboutissement de l’un des grands projets de l’humanité dont l’envergure ne peut se comparer qu’avec le projet Apollo. Comme ce dernier, l’aventure qui commencera lorsque les collisions de protons recréeront les conditions qui régnaient dans l’Univers observable moins d’un milliardième de seconde après sa « naissance », promet non seulement de changer notre vision du monde mais aussi de catalyser de nouveaux bonds technologiques, comme ce fut le cas avec l’électronique et l’informatique lors de la course à la Lune.

Cliquez pour agrandir. Une vue aérienne du LHC avec la localisation des différentes expériences comme ATLAS,ALICE,LHCb et CMS. Crédit : Cern

Retrouver l’Unité du monde qui doit se cacher, les physiciens en sont convaincus, derrière les phénomènes, telle est leur ambition. Elle prend ses racines dans les spéculations des philosophes ioniens et surtout des Eléates de la Grèce Antique, mais on peut la trouver aussi dans celles des philosophes indiens, comme en témoigne par exemple, l’Isha Upanishad. Toutes les spéculations du monde ne valent rien si elles ne sont pas confrontées à l’expérience, et c’est pourquoi le LHC a été construit. Il va nous permettre de tester nos théories sur le monde de l’infiniment petit mais aussi de l’infiniment grand car l’un et l’autre sont intimement liés, comme la cosmologie et la toute jeune discipline des astroparticules le montrent de plus en plus. Avec la fournaise dépassant les 2.000 milliards de degrés que les physiciens vont produire lors des collisions de protons, ils espèrent apprendre les secrets de la matière noire qui domine le monde des galaxies et même, peut-être, découvrir si des mondes parallèles peuvent exister, comme le suggère la très spéculative théorie des cordes.

L'infiniment grand et l'infiniment petit avec quelques uns des outils nécessaires pour les explorer. Crédit : Cern

Il existe un troisième infini, celui de la complexité, qui n’est pas séparable des deux premiers et que la science et la technologie découlant du LHC permettra d’explorer. Les secrets de l’Univers, que l’on espère découvrir avec les détecteurs de particules géants du LHC, nécessitent en effet un réseau de plus de 10.000 ordinateursplanète : c’est la grille. Les biologistes l’emploient déjà pour mieux comprendre le génome humain et concevoir de nouveaux médicaments. interconnectés sur la

Ce dossier a donc pour but de faire un peu mieux connaissance avec les enjeux de la physique du XXI^ièmeLarge Hadron Collider. siècle et avec l’outil qui devrait la révolutionner : le Large Hadron Collider.

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Traitement des déchets nucléaires : quel avenir ?

Le traitement des déchets ne cesse d'évoluer. En particulier concernant les déchets de l’industrie nucléaire, qui sont spécifiques à bien des égards : leur toxicité diminue avec le temps, et leur diversité nécessite des méthodes de conditionnement adaptées aux volumes et à leur nocivité. Par chance, les plus dangereux sont aussi les moins nombreux.

Comme dans toute filière en essor, des procédés éprouvés sont mis en œuvre à l’échelle industrielle pour le traitement des déchets nucléaires – c’est le cas de la vitrification, de la cimentation, du compactage et du bitumage - tandis que des recherches sont menées pour améliorer les performances des procédés actuels, et avec des échéances plus lointaines, résoudre des difficultés nécessitant des sauts technologiques majeurs, comme dans le cas de la transmutation des actinides par exemple.

 Le commencement de toutes les sciences, c’est l’étonnement de ce que les choses sont ce qu’elles sont. Aristote, Métaphysique.

Le but recherché par le conditionnement est celui de disposer d’objets faciles à manipuler, répondant à des normes strictes pour assurer leur tenue dans le temps et surtout garantir la non-dispersion des radioéléments. 

Les déchets primaires peuvent occuper tous les états de la matière (solide, liquide, gazeux) ; ils sont généralement très volumineux et les radioéléments peuvent être répartis de manière hétérogène au sein des matériaux. Le choix d’un procédé ne peut se faire qu’à partir d’une connaissance assez précise des caractéristiques du déchet brut. Quelle est sa nature physique, sa composition chimique et sa radioactivité, sa teneur en radioéléments à vie longue… ? 

Autant de questions à instruire avant de choisir la filière la plus adaptée. Par ailleurs, pour réduire la quantité de déchets qu’il faudra gérer sur le long terme, des traitements sont généralement utilisés. Ils consistent à réduire les volumes par incinération ou compactage ou encore décontaminer les matériaux dont les surfaces retiennent des poussières radioactives.

Le conditionnement conduit finalement à la fabrication de ce que l’on appelle un colis, objet constitué d’une matrice chargée de piéger les radioéléments et d’un conteneur qui permet, outre sa fonction d’écran double - il empêche l’intrusion d’eau et bloque les rayons alpha, bêta et une partie des rayons gamma – d’assurer une manutention aisée. 

Même s’il existe de nombreuses méthodes pour conditionner les déchets de l’industrie nucléaire et bien que les recherches se poursuivent pour diminuer les volumes, améliorer le confinement et réduire la nocivité de certains d’entre eux, le bilan actuel ne fait que justifier un peu plus l’intérêt que l’on porte au verre : 96 % des émetteurs bêta et gamma et 99,5 % des émetteurs alpha se retrouvent in fine dans le verre. Plusieurs pays ont choisi de vitrifier leurs déchets, mais le cas de la France reste unique de par les quantités produites et la maîtrise de la technologie. Sommes nous en avance sur notre temps, ou bien faisons-nous fausse route ? 

Ce dossier tente de comprendre les raisons qui ont motivé ce choix, nous fait découvrir les autres modes de traitement des déchets et se penche plus en détail sur le cas du verre, ce matériau de notre quotidien aux propriétés si particulières.

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Iter : la fusion nucléaire par confinement magnétique

L'humanité est confrontée à un défi grandissant : celui de la demande énergétique. Jusqu'à présent, la majorité de notre énergie est produite à partir de réserves fossiles : charbon, pétrole, gaz. Tôt ou tard, ces réserves viendront à disparaître. De plus, cet usage n'est pas sans conséquence sur l'environnement et le climat. 

Il est donc nécessaire de recourir à des sources d'énergies non-fossiles. Or, le nombre des candidats est relativement limité : les énergies renouvelables, la fission nucléaire et la fusion nucléaire. Actuellement, aucun dispositif n'est en mesure de produire de l'énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Les recherches se poursuivent car  la fusion possède de nombreux avantages en terme de potentiel énergétique, de ressources, de risques environnementaux ou de sécurité.

Intérieur de l'enceinte du tokamak Tore Supra en 2002. Tore Supra est un tokamak supraconducteur, en exploitation depuis 1988 à Cadarache (Bouches du Rhône)

La maîtrise des réactions de fusion nucléaire permettrait d'apporter une réponse supplémentaire aux besoins énergétiques à venir, en permettant d'utiliser un combustible abondant, en produisant peu de déchets et sans risque de prolifération. Toutefois, les conditions nécessaires pour amorcer la fusion de noyaux atomiques, un processus à l'œuvre depuis des milliards d'années au cœur du soleil, sont extrêmes et difficiles à reproduire sur Terre. 

Depuis la découverte de la fusion, de nombreux projets ont été réalisés pour maitriser cette énergie à des fins pacifiques. Nous verrons quelles sont les méthodes et les résultats obtenus au fil des cinquante dernières années. 

Enfin, nous terminerons par le réacteur expérimental Iter, actuellement en construction sur le site français de Cadarache, dont l'objectif est de démontrer la faisabilité technique de la fusion par confinement magnétique comme moyen de production d'énergie.

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La couleur et ses mystères

Nous vivons dans un monde en couleurs. La nature et le vivant nous émerveillent par la variété des effets colorés qu'ils offrent. L'art s'en est inspiré, la mode, et de nos jours, le marketing.  La couleur, si elle nous apparaît toujours comme naturelle, est devenue un enjeu économique avec le développement de matériaux et de produits jouant avec ses effets. Ce développement s'accompagne d'une activité de recherche importante. Enfin, en amont, la perception colorée, à travers le processus psychophysique qui est mis en œuvre, est l'objet d'intenses recherches.

Empereurs byzantins "nés dans la pourpre", rouge écarlate du manteau du Christ, fabuleux "pays de cocagne" où l'or bleu du pastel en coques assure indéfiniment la prospérité générale... La pourpre, le kermès et le pastel, trois teintes mythiques entre toutes, profondément inscrites dans le patrimoine culturel des civilisations méditerranéennes, ont été choisies comme exemples pour illustrer les acquis de recherches pluridisciplinaires récentes sur l'histoire et l'archéologie de la production des colorants.

Une exposition internationale a eu lieu au Musée des beaux-arts de Carcassonne (1999-2000) puis au Centre de documentació i Museu tèxtil de Terrassa, près de Barcelone (2000) sur le thème de l'importance culturelle et économique de colorants extraits du monde vivant.

Quartie de la Boca, Buenos Aires Argentine

C’est la rencontre avec un dossier du CNRS (CNRS Info 391) sur cette exposition et le « Traité de la couleur » (publication des Presses polytechniques et universitaires romandes  - 2001), ouvrage désormais incontournable, qui m’a incitée à vous proposer ce dossier sur les couleurs…..

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L'eau sèche en poudre : une substance qui a de l'avenir !

Au 240e colloque national de l’American Chemical Society , des chimistes britanniques ont présenté les derniers résultats sur un matériau bien singulier : l’eau sèche. Poudreuse, constituée de 95% d’eau, cette substance paraît prometteuse comme piège à CO₂ et pour transporter des matières dangereuses.

 Ce n’est pas une blague de 1er avril, l’eau sèche existe bel et bien et elle a même été découverte une première fois en 1968 avant de l’être à nouveau en 2006 par des chercheurs britanniques de l’Université de Hull. 

Il s’agit en fait de minuscules gouttelettes d’eau enrobées de silice et qui se présentent comme une poudre ressemblant au sucre. Tout comme l’aérogel qui est constitué principalement d’air, l’eau sèche (dry water en anglais) contient 95% d’eau. On ne doit pas la confondre avec la glace sèche qui, elle, est du gaz carbonique solide. 

Andrew Cooper et Ben Carter de l’Université de Liverpool s’intéressent à ce produit depuis quelques années et cherchent à en explorer les diverses applications possibles. Après plusieurs publications sur le sujet, ils pensent que cette substance improbable devrait avoir un avenir brillant. 

Ils ont d’abord montré que l’eau sèche pouvait absorber une quantité non négligeable de méthane et donc servir à stocker et transporter du gaz naturel. Le méthane est en général transporté soit après refroidissement à -113 °C, soit sous une pression d’environ 500 bars. Mais il se combine à l’eau sèche à seulement -70°C. Il y a donc là un potentiel à creuser pour l’énergie du futur basée sur le gaz naturel, par exemple pour des véhicules utilisant ce carburant.

Puis les chimistes ont découvert que l’eau sèche pouvait stocker aussi du CO₂, jusqu’à 3 fois plus que de l’eau ou de la silice normales. Pour eux, elle constituerait donc un bon moyen pour réaliser des puits à carbone afin de limiter le réchauffement climatique. On pourrait même piéger d’autres gaz gênants libérés par l’industrie. 

Enfin, l’eau sèche constituerait un excellent catalyseur pour certaines réactions chimiques, comme celle de la synthèse de l’acide succinique à partir d’un mélange d’hydrogène et d’acide maléique. Rappelons que l’acide succinique est une molécule plate-forme, ou building block, car elle sert de point de départ à de multiples réactions chimiques, conduisant à des substances ayant des applications variées. 

On la trouve ainsi impliquée dans la production des liquides antigel, fluides caloporteurs, solvants, pigments, polyesters, etc. Avec un marché estimé à plus de 2,5 milliards d’euros, on comprend donc l’intérêt de pouvoir améliorer sa fabrication et par conséquent l’importance que prendra probablement l’eau sèche dans un avenir proche.

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