Supraconducteur à haute température

Un supraconducteur à haute température (en anglais, high-temperature superconductor : high-T_c ou HTSC) est un matériau présentant une température critique superconductrice (T_c) relativement élevée par rapport aux supraconducteurs conventionnels, c'est-à-dire en général à des températures supérieure à de l'ordre de 30 K soit -243 °c.

Ce terme désigne en général la famille des matériaux de type cuprate, dont la supraconductivité existe jusqu'à 138 K. Mais d'autres familles de supraconducteurs, comme les pnictures découvertes en 2008, peuvent aussi être désignés par ce même terme. Une autre terminologie distingue les supraconducteurs conventionnels des supraconducteurs non conventionnels, selon qu'il peuvent être décrits ou non avec la Théorie BCS classique de la supraconductivité. Les supraconducteurs à haute température sont en général classés comme non conventionnels.

Histoire

De 1960 à 1980, les spécialistes croyaient que de l'ordre de 30 K était théoriquement la plus haute température possible.

Le premier matériau à haute T_c^[1] a été mis en évidence en 1986 par Karl Müller et Johannes Bednorz, chercheurs d'IBM qui ont reçu le prix Nobel de physique de 1987. Jusqu'à la découverte de supraconducteurs à base de fer en 2008^[2],[3], le terme « supraconducteur à haute température » était équivalent à « supraconducteur au cuprate » (par exemple, pour les composés chimiques BSCCO et YBCO).

Une définition ?

Le terme « hautes températures » n'a pas de définition précise; il désigne des matériaux dont la supraconductivité est observée à des températures supérieures à 30 K à peu près, donc supérieures à -240 °C, ce qui reste très froid par rapport à la température ambiante, mais beaucoup moins que les supraconducteurs découverts avant 1986. Mais à partir de cette définition, même certains supraconducteurs classiques comme par exemple le composé MgB2 présentant une température critique de 39 K soit -234 °C seront "à haute température".

On pourra plutôt choisir de distinguer les supraconducteurs par l'origine physique de la supraconductivité : des "supraconducteurs non conventionnels" pour les cuprates ou les pnictures, et au contraire des "supraconducteurs conventionnels" comme les métaux, ou des alliages ou intermétalliques comme Nb3Sn ou MgB2. "Non conventionnel" signifie ici que le mécanisme à l'origine de la supraconductivité n'est à priori pas celui décrit par Bardeen, Cooper et Schrieffer c'est-à-dire qu'il n'est pas dû aux vibrations atomiques (BCS). Les fermions lourds ou les supraconducteurs organiques sont probablement eux aussi "non conventionnels" bien que leur température critique soient très basse. La recherche actuelle se concentre sur cette classe de composés.

Usages possibles

En théorie, ils permettent de transporter beaucoup plus d'électricité dans des câbles beaucoup plus petits, facilitant par exemple l'allongement ou l'enterrement des lignes à haute tension, les connexions avec des centrales éoliennes ou solaires éloignées. Des trains à sustentation magnétique pourraient se déplacer à coûts raisonnables à près de 500 km/h, les ordinateurs et calculateurs devenir ultra-rapides. Les moteurs électriques pourraient devenir plus petits et plus puissants et les installations médicales de type IRM verraient leur coût diminuer^[4].

Nexans a annoncé^[5] en 2010 avoir développé et testé avec succès dans son laboratoire haute tension de Hanovre (Allemagne) un nouveau câble supraconducteur fonctionnant à 200 kV, permettant le transport de plusieurs gigawatts électriques (première mondiale selon le groupe). 360 kV de tension ont été appliqués à ce câble (1,8 fois la tension de fonctionnement) durant plusieurs heures^[5]. Le système a pu être maintenu à une tension nominale de 200 kV, et a supporté avec succès des surtensions simulant celles se produisant en cas d'impact de foudre ou d'ouverture/fermeture de circuit^[5].

De tels câbles, à courant continu, pourraient notamment répondre aux besoins de grands projets tels que Desertec ou de la plateforme d'échange d'énergie renouvelable nord-américaine de Tres Amigas aux États-Unis qui, à Clovis au Nouveau-Mexique, doit relier, via un réseau triangulaire de 9,6 km de « pipelines électriques » les trois grands réseaux électriques du pays : Eastern Interconnection, Western Interconnection et Texas Interconnection, les câbles supraconducteurs HT étant associés à des convertisseurs (VSC) alternatif/continu^[5].

L'entreprise cherche maintenant à produire un câble supraconducteur supportant un ampérage très élevé (jusqu'à 12 500 A) de manière à pouvoir transporter plusieurs gigawatts par câble^[5].

Usages actuels

Ils sont utilisés pour des besoins particuliers, de haute technologie mais restent couteux.

En particulier, les systèmes de refroidissement et de sécurisation sont encore lourds et coûteux, et consommateurs d'énergie.

Et après les annonces des années 1980, les fabricants n'ont pas encore réussi à produire des câbles souples et durablement fiables à partir de céramiques (matériaux durs et cassant), mais la fibre de verre a connu des problèmes similaires à ses débuts et les recherches se poursuivent, notamment sous l'égide de la NASA et d'une société de fabrication de supraconducteurs Metox (Metal oxide technologies) installée à Houston près des laboratoires de la NASA, dont le Centre de recherche sur la supraconductivité et les matériaux avancés du Texas^[4].

Les câbles de première génération avaient des performances réelles 100 fois moindres que leur potentiel théorique, mais la technologie semble progresser dans ce domaine et laissent espérer des câbles 100 fois plus performant qu'avec le fil de cuivre à température ambiante, à cout équivalent au câble cuivre^[4].

Des conditions d'usages plus intéressantes existent dans l'espace, et la supraconduction pourrait être intéressante pour la conquête spatiale, le travail sur la Lune ou Mars par exemple.

Fabrication

Les expériences spatiales conduites par la NASA (croissance de films minces dans le quasi-vide spatial avec la navette) ont abouti à des technologies permettant de faire croître un film supraconducteur de quelques microns sur une base flexible^[4]. L'enroulement de films d'oxydes de très haute qualité commence à être maîtrisé en 2009, laissant espérer des progrès comparables à ceux qu'a connu la fibre de verre^[4].

Notes et références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « High-temperature superconductivity » (voir la liste des auteurs)

1. ↑ (en) J.G. Bednorz et K.A. Mueller, « Possible high T_C superconductivity in the Ba-La-Cu-O system », dans Z. Phys., vol. B64, n^o 2, 1986, p. 189–193 [lien DOI] 
2. ↑ (en) Charles Q. Choi, « Iron Exposed as High-Temperature Superconductor », dans Scientific American, juin 2008 [texte intégral (page consultée le 24 juin 2010)] 
3. ↑ (en) Zhi-An Ren, Guang-Can, Xiao-Li, Jie, Wei, Wei, Xiao-Li, Zheng-Cai et Li-Ling, « Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1−δ (Re = rare-earth metal) without fluorine doping », dans EPL (Europhysics Letters), vol. 83, 2008, p. 17002 [lien DOI] 
4. ↑ ^{a, b, c, d et e} Ciel des Hommes/science Nasa traduction de Didier Jamet, 8 février 2003.
5. ↑ ^{a, b, c, d et e} Test réussi pour le 1er cable supraconducteur au monde , Webremix, 29 juillet 2010

Articles connexes

• Supraconductivité
• Trains à sustentation magnétique
• Aimant supraconducteur