L’impact du climat sur le secteur de l’énergie

Le secteur de l’énergie peut être impacté par le climat. Bien maîtriser les données climatiques permet d’estimer les ressources en énergies renouvelables et gérer les conséquences liées à la variabilité météorologique (assurer l’équilibre offre-demande, planifier les opérations de maintenance, …). Ces données permettent également d’anticiper les risques liés à des extrêmes météorologiques. La dépendance du secteur de l’énergie au climat risque d’augmenter dans le contexte actuel de réchauffement climatique.

ESTIMER LES RESSOURCES EN ÉNERGIES RENOUVELABLES


La transition énergétique prévoit une augmentation des énergies renouvelables, peu émettrices de CO2, mais leur production dépend fortement de la météo (sur le court terme) et du climat (sur le long terme).  

Mesurer et prédire les paramètres climatiques tels que la température, le vent, les précipitations est essentiel pour la gestion des ressources en énergie renouvelables.


L'énergie éolienne

Le vent varie fortement dans l’espace et dans le temps. Avant d’investir dans l’installation d’un parc éolien, les producteurs ont besoin de connaître son rendement moyen et sa variabilité selon les jours ou les saisons.  
Lorsque l’installation est opérationnelle, les prévisions de cette vitesse permettent d’anticiper la production.


L'énergie solaire

Le rendement des panneaux photovoltaïques et thermiques dépend principalement du rayonnement solaire qui atteint le sol. Pour obtenir cette valeur, il faut estimer l’atténuation du rayonnement incident par la couverture nuageuse et par les aérosols (petites particules fines en suspension dans l’atmosphère). Evaluer le potentiel solaire nécessite une bonne connaissance de la circulation atmosphérique, de l’humidité de l’air et des particules présentes dans l’atmosphère.  

Par ailleurs, la température constitue un autre paramètre climatique à prendre en compte car le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec la température.  


L’énergie hydraulique

Pour déterminer le potentiel énergétique d’un barrage hydroélectrique, il faut connaître la climatologie des précipitations et de l’évaporation à l’échelle du bassin versant et de la rivière car ces deux paramètres climatiques modulent le débit de l’eau et le stock du réservoir.


Les bioénergies
Les précipitations, le rayonnement solaire, l'évaporation et la température influent sur la croissance de la végétation et donc le rendement des biocarburants. Les cultures ont elles-même un impact sur les cycles du carbone, de l’azote et de l’eau, c’est pourquoi une modélisation précise de ces interactions est essentielle pour estimer l’efficacité et le rendement économique de ces sources d’énergie.


Le changement climatique en cours induit des modifications des régimes de pluie, de vent, de la couverture nuageuse et de la température. Ces paramètres climatiques modifiés vont impacter la disponibilité des ressources en énergies renouvelables.


GÉRER LES CONSÉQUENCES
DE LA VARIABILITÉ DU CLIMAT

Le climat connaît des variations sur différentes échelles spatiales et temporelles (variations jour/nuit, été-hiver, d’une année sur l’autre….). Ces variations doivent être gérées par le secteur de l’énergie à plusieurs niveaux.
 
1. Gérer l’équilibre offre-demande
L’offre électrique est impactée directement par la variabilité climatique dès lors qu’elle repose sur des énergies renouvelables dont la production n’est pas pilotable. Elle peut dépendre indirectement du climat pour les autres sources d’énergie.

La demande des consommateurs varie en fonction de la météo. Un pic de consommation est constaté lors des vagues de froid (chauffage) ou de chaleur (climatisation).

Pour éviter les situations de black-out (coupures importantes du courant électrique), les réseaux de transport d’électricité doivent assurer en permanence l’équilibre offre/demande. L’augmentation de la part des énergies renouvelables variables représente donc un défi pour l’équilibrage des réseaux à une échelle qui dépasse souvent celle d’un seul pays. Les périodes de faible production demanderont d’autres ressources pilotables, ou bien l’utilisation d’énergie stockée. Les périodes de forte production associées à une faible demande devront être utilisées pour le stockage ou l’export.


2. Anticiper les prix du marché
Le prix de l’électricité, et de l’énergie en général dépend de l’offre et de la demande. L’estimation des prix et de la gestion du parc de production est un exercice quotidien auquel se livrent les producteurs et les gestionnaires de réseaux. Ils doivent pour cela disposer de prévisions météorologiques précises leur permettant d’estimer les prix. La demande de précision pour ces prévisions sera croissante avec l’augmentation de la part des renouvelables. Essentielles pour le court terme (quelques heures à quelques jours), les prévisions météorologiques sont également intéressantes à une échelle saisonnière, où elles peuvent donner de grandes tendances de l’évolution des prix et des ressources à mettre en œuvre.

3. Planifier les opérations
Les conditions de fonctionnement et de maintenance peuvent dépendre des prévisions météorologiques et climatiques. Quelques exemples :

*         Si les vitesses de vent ne sont pas assez élevées, il peut être intéressant de planifier les travaux de maintenance du parc éolien. En revanche, ces opérations sont à éviter pendant les tempêtes.
*        
*         Couper et transporter les arbres dans certaines régions des pays scandinaves ne peut s’effectuer que sur un sol gelé en hiver ou un sol sec en été. Les véhicules utilisés ne peuvent pas circuler sur les sols marécageux. Il est donc important de prédire avec précision les périodes de dégel selon les zones pour optimiser le déploiement des équipes.  
*        
*         L’installation, la maintenance et le démantèlement des infrastructures off-shore ou côtières, comme des plateformes gaz et pétrolière offshore demandent des prévisions du niveau marin et des probabilités de vagues extrêmes sur des périodes assez longues.


ESTIMER LES RISQUES INDUITS PAR LES EXTRÊMES MÉTÉOROLOGIQUES

Si les événements météorologiques extrêmes sont aujourd’hui peu fréquents, ils peuvent générer de très lourds dégâts économiques et matériels. Le secteur de l’énergie a besoin d’estimer les risques afin de dimensionner correctement les infrastructures ou à défaut anticiper les frais associés.
Quels risques associés aux extrêmes météorologiques ?

*         Extrême météorologique : inondation
*         Risques de submersion des centrales thermiques et des postes électriques
*        
*         Extrême météorologique :  vagues de chaleur 
*         Risque : les circuits de refroidissement des centrales thermiques peuvent être arrêtés et induire un arrêt ou ralentissement de la production de la centrale alors que la demande en électricité pour la climatisation augmente.
*        
*         Extrême météorologique :  vagues de sécheresse 
*         Risque : étiage des rivières impactant le refroidissement des centrales et la production hydraulique
*        
*         Extrême météorologique : fortes intempéries (rafales de vent, pluies verglaçantes…)
*         Risque : dégâts matériels sur les pylônes, les éoliennes
*        
*         Extrême météorologique : vagues de froid
*         Risque : augmentation de la consommation entraînant un risque de rupture du réseau
 

ET DEMAIN ?
Les experts du GIEC sont formels : le climat se réchauffe. Si nous ne souhaitons pas dépasser un réchauffement global supérieur à 2°C d’ici
2 100 (seuil au-delà duquel plusieurs dégâts seraient irréversibles notamment la remontée du niveau marin), il est nécessaire que les énergies bas carbone (énergies renouvelables et nucléaire) atteignent 90% du mix global énergétique d’ici la fin du siècle.

Le secteur de l’énergie doit donc faire face à un double défi, réduire les émissions de gaz à effet de serre en augmentant la part d’énergie bas carbone et gérer la dépendance accrue au climat liée à une part plus importante de renouvelables dans le mix énergétique.


CAS DE LA FRANCE : MIX ÉNERGÉTIQUE ET PART DES ÉNERGIES BAS-CARBONE

Comme dans d’autres pays, la France s’est engagée dans une transition énergétique à moyen terme pour atteindre un objectif de réduction de ses émissions de gaz à effet de serre. Elle a prévu notamment d’orienter son mix énergétique pour le rendre moins carboné, tout en diminuant en parallèle sa consommation énergétique finale. Dans le cadre de cette transition, le mix énergétique de la France conserve un socle nucléaire, qui permet à la France, avec l'énergie hydraulique, de produire massivement une énergie bas carbone.

Pour réduire les gaz à effet de serre, la loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte (LTECV), votée en 2015, prévoit notamment :

*         Une baisse importante de la consommation des énergies fossiles (-30% en 2030 par rapport à 2012)
*        
*         Une augmentation de la part des énergies renouvelables dans la consommation finale (23% en 2020,  32% en 2030 dont 40% pour  la  production électrique)
*        
*         D’ici 2050, la diminution de moitié de la consommation énergétique finale de 2012. Cela sous-entend d’agir dans différents secteurs comme celui des bâtiments, de l’industrie, des transports, de l’agriculture.

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L'ESSENTIEL SUR...
Les 4 interactions fondamentales

Publié le 19 juillet 2018
 
Quatre interactions fondamentales régissent l’Univers : l’interaction électromagnétique, l’interaction faible, l’interaction nucléaire forte et l’interaction gravitationnelle. Les interactions électromagnétique, forte et faible sont décrites par le modèle standard de la physique des particules, qui est en cohérence avec la physique quantique, tandis que l’interaction gravitationnelle est actuellement décrite par la théorie de la relativité générale. Quelles sont les propriétés de chacune de ces interactions ? Quel est leur impact sur notre quotidien ? Quels sont les enjeux de la recherche sur les interactions fondamentales ?
L’INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE (FORCE ÉLECTROMAGNÉTIQUE)

L’interaction électromagnétique régit tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle peut être attractive ou répulsive : par exemple, deux pôles d’aimants de même signe (« nord » ou « sud ») vont se repousser alors que deux pôles d’aimants de signe opposé vont s’attirer.

Cette interaction est liée à l’existence de charges électriques et est notamment responsable de la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) attirés par le noyau de l’atome (charge électrique positive).

Le photon est la particule élémentaire associée à l’interaction électromagnétique.

Il est de charge électrique nulle et sans masse, ce qui fait que cette interaction a une portée infinie.

J.C. Maxwell écrit, vers 1864, la théorie de l’électromagnétisme qui explique l’existence d’ondes électromagnétiques (ondes radio, infra-rouge, lumière, ultra-violet, rayons X et gamma). Leur importance n’est plus à démontrer.
Dans la seconde moitié du XXe siècle, cette théorie a été reformulée grâce notamment aux travaux du physicien Feynman sous la forme de l’électrodynamique quantique pour y introduire les concepts quantiques de façon cohérente et qui décrit l’interaction comme un échange de photons.

L’INTERACTION FAIBLE (FORCE FAIBLE)
L’interaction faible est la seule qui agit sur toutes les particules, excepté sur les bosons. Elle est responsable de la radioactivité Bêta, elle est donc à l’origine de la désintégration de certains noyaux radioactifs.

Le rayonnement Bêta est un rayonnement émis par certains noyaux radioactifs qui se désintègrent par l'interaction faible. Le rayonnement β+ (β-) est constitué de positons (électrons) et se manifeste lorsqu’un proton (neutron) se transforme en neutron (proton). Un neutrino (antineutrino) électronique est également émis. Ce rayonnement est peu pénétrant : un écran de quelques mètres d'air ou une simple feuille d'aluminium suffisent pour l’arrêter.

Les particules élémentaires associées à l’interaction faible sont le boson neutre (le Z0) et les deux bosons chargés (les W+ et W−). Ils ont tous une masse non nulle (plus de 80 fois plus massifs qu’un proton), ce qui fait que l’interaction faible agit à courte portée (portée subatomique de l’ordre de 10-17 m).


La datation au carbone 14 est possible grâce à l’interaction faible. Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone qui se transforme en azote 14 par désintégration Bêta moins. Sa période radioactive, temps au bout duquel la moitié de ses atomes s’est désintégrée, est de 5 730 ans.

La technique du carbone 14 permet de dater des objets de quelques centaines d’années à 50 000 ans environ.

LE NEUTRINO


Le neutrino, particule élémentaire du modèle standard, n’est sensible qu’à l’interaction faible.
Le neutrino est un lepton du modèle standard de la physique pouvant prendre trois formes (ou saveurs) : le neutrino électronique, muonique et tauique. Les neutrinos n'ont pas de charge électrique et ont une masse très faible dont on connaît seulement une borne supérieure. Ils se transforment périodiquement les uns en les autres selon un processus appelé "oscillation des neutrinos". N'étant sensibles qu'à l'interaction faible, les neutrinos n'interagissent que très peu avec la matière si bien que pour absorber 50 % d'un flux de neutrinos, il faudrait lui opposer un mur de plomb d'une année-lumière d'épaisseur.


L’INTERACTION NUCLÉAIRE FORTE OU INTERACTION FORTE (FORCE FORTE)
L’interaction forte permet la cohésion du noyau de l’atome. Elle agit à courte portée au sein du proton et du neutron. Elle confine les quarks, particules élémentaires qui composent les protons et neutrons, en couples "quark−antiquark" (mésons), ou dans des triplets de quarks (un ou deux autres (anti) quarks) (baryons). Cette interaction se fait par l'échange de bosons appelés "gluons".

Le gluon est la particule élémentaire liée à l’interaction forte. La charge associée à cette interaction est la "charge de couleur". Lors de l'échange d'un gluon entre deux quarks, ils intervertissent leurs couleurs. L’interaction entre deux quarks est attractive et d’autant plus intense que ceux-ci sont distants l’un de l’autre, et est quasi nulle à très courte distance.

La réaction primordiale de fusion de deux protons en deutéron (un isotope naturel de l’hydrogène dont le noyau contient un proton et un neutron) est un processus dû à l’interaction faible dont le taux gouverne la lente combustion des étoiles. C’est ensuite l’interaction forte qui est à l’œuvre dans les chaînes de réactions nucléaires qui suivent et qui produisent d’autres noyaux.

Cette interaction est notamment responsable des réactions nucléaires qui ont lieu au sein du Soleil.

La réaction de fusion nucléaire

Les quarks portent une charge de couleur qui est à l’interaction forte ce que la charge électrique est pour la force électromagnétique. Un quark peut avoir trois couleurs, appelées par convention rouge, bleu et vert. Un antiquark a l’une des « anticouleurs » correspondantes : antirouge, antibleu et antivert.

Les quarks forment des particules composites « blanches », c’est-à-dire sans charge de couleur. Il y a deux manières de former ces hadrons : soit en combinant un quark et un antiquark dont la couleur et l’anticouleur s’annulent (par exemple rouge et antirouge) ; on parle alors de « méson ». Soit en associant trois quarks porteurs chacun d’une couleur différente ; de telles particules sont appelées « baryons » – par exemple le proton et le neutron.


L'INTERACTION GRAVITATIONNELLE (FORCE GRAVITATIONNELLE)
Dans la vision de la loi de la gravitation universelle de Newton, l’interaction gravitationnelle est celle qui agit entre des corps massifs. La force est attractive. La pesanteur et les mouvements des astres sont dus à la gravitation.

    
Dans le cadre de la relativité générale, la gravitation n’est pas une force mais une manifestation de la courbure de l’espace-temps. La gravitation ne fait pas partie du modèle standard, elle est décrite par la relativité générale. Elle se définit par la déformation de l’espace-temps.


La gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales. Elle s'exerce à distance et de façon attractive entre les différentes masses. Sa portée est infinie.

La première théorie la décrivant efficacement est celle de Newton en 1687. Pesanteur, mouvements planétaires, structure des galaxies sont expliqués par la gravitation. En 1915, elle est remplacée par la théorie de la relativité générale d’Einstein qui sert de cadre à la description de l’Univers entier et où les masses déforment l’espace-temps au lieu d’y exercer des forces à distance.

A ce jour, on ne sait pas décrire l’interaction gravitationnelle par la mécanique quantique, et on ne lui connaît aucun boson médiateur.

Au niveau théorique, la gravitation pose problème car on ne sait pas la décrire à l’aide du formalisme de la «  théorie quantique des champs  », utilisé avec succès pour les trois autres interactions. L’hypothétique graviton serait la particule médiatrice de la gravitation dans une description quantique de cette interaction.


PORTÉE DE L'INTERACTION ENTRE DEUX CORPS
La masse du boson vecteur (ou médiateur) va définir la portée de l’interaction. Imaginez deux particules en interaction comme deux personnes se lançant une balle, représentant le boson vecteur : plus la balle est légère, plus ils peuvent la lancer loin. Par analogie, plus le boson vecteur est léger, plus la portée de l’interaction est grande.

Type    Particules médiatrices (bosons vecteurs)     Domine dans :
Force forte    Gluons     Noyau atomique
Force électromagnétique    Photon    Électrons entourant le noyau
Force faible     Boson Z0, W+, W-     Désintégration radioactive bêta
Gravitation    Graviton ? (pas encore observé)    Astres


LA THÉORIE DU TOUT : VERS L'UNIFICATION DES INTERACTIONS FONDAMENTALES ?
L’objectif des recherches est de trouver une théorie qui expliquerait simultanément les quatre interactions fondamentales.

L’unification des quatre interactions fondamentales fait partie des axes de recherche principaux de la physique des particules. Une première étape a été franchie il y a une trentaine d’années avec l’unification de l’interaction faible et de la force électromagnétique dans un même cadre : l’interaction électrofaible. Celle-ci se manifeste à haute énergie – environ 100 GeV. La suite logique de ce processus est d’y ajouter l’interaction forte. Mais, si convergence il y a, elle ne devrait se manifester qu’à des échelles d’énergie encore bien plus élevées (1015 ou 1016 GeV), totalement hors de portée des expériences actuelles. L’étape ultime, l’ajout de la gravité à ce formalisme, est encore plus éloignée et se heurte à des problèmes mathématiques non résolus pour le moment.

La théorie des cordes et la théorie de la gravitation quantique à boucles sont les deux cadres théoriques les plus étudiés aujourd’hui.

Les théories de dimensions supplémentaires, dont la théorie des cordes, ont été initialement proposées pour résoudre le problème de l’extrême faiblesse de la gravité. L’une des réponses serait que seule une petite fraction de la force gravitationnelle n’est perceptible, le reste agissant dans une ou plusieurs autres dimensions. Ces dimensions, imperceptibles, seraient courbées et non plates comme les quatre connues de l’espace et du temps.

Les cordes seraient des petits brins d’énergie en vibration qui seraient reliées dans plusieurs « branes » (des cordes qui se seraient étirées et transformées en grandes surfaces).  Les branes seraient comme des barrières entre plusieurs dimensions, jusqu’à 10, mais ces dimensions supplémentaires nous sont invisibles.

Toute la physique fondamentale serait unifiée, c’est-à-dire la mécanique quantique avec la relativité générale.

La gravité quantique à boucles a pour but de quantifier la gravitation. Elle a notamment pour conséquences que le temps et l’espace ne sont plus continus, mais deviennent eux-mêmes quantifiés (il existe des intervalles de temps et d’espace indivisibles). La gravité quantique à boucles cherche à combiner la relativité générale et la mécanique quantique directement, sans rien y ajouter.

Cependant, à ce jour, aucune théorie unique ne peut expliquer de façon cohérente toutes les interactions.

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Nanomatériaux

Construire des nanomatériaux aux propriétés nouvelles pour l’énergie, les transports et d’autres applications de la vie quotidienne est un enjeu stratégique.

Publié le 1 juillet 2012

L’observation des matériaux au microscope fait apparaître leur composition, leur structure, granulaire ou fibreuse, et leurs défauts. Elle révèle, par exemple, que les alliages métalliques sont constitués d’agrégats de grains de taille micrométrique.

INFLUENCE DE LA STRUCTURE

La structure détermine les propriétés optiques, mécaniques, électriques, magnétiques, thermiques… des matériaux. En faisant coïncider l’échelle d’homogénéité des matériaux avec l’échelle d’action de phénomènes physiques, on peut modifier certaines de leurs caractéristiques. Ainsi, un verre millistructuré est transparent mais pas superhydrophobe, tandis qu’un verre microstructuré est opaque mais toujours pas superhydrophobe. Seul un verre nanostructuré est transparent et superhydrophobe.
Les nanomatériaux sont donc volontairement façonnés à cette échelle : ils sont constitués d’éléments nanométriques qui vont leur conférer la propriété recherchée. Ils peuvent se présenter sous forme de nanopoudre ou comprennent des nanoparticules intégrées dans une matrice ordinaire (on parle alors de matériaux composites).
En diminuant la taille des grains, on obtient des matériaux plus légers et ayant de meilleures propriétés mécaniques, par exemple plus résistants. Les matériaux obtenus sont plus malléables car les grains glissent plus facilement les uns par rapport aux autres.

Plus un objet est petit, plus sa surface externe est importante par rapport à son volume. Les objets nanométriques sont caractérisés par un nombre d’atomes en surface identique au nombre d’atomes en volume. Les phénomènes de surface jouent donc un rôle désormais prédominant. Le monde naturel l’illustre bien : ainsi, un insecte peut marcher sur l’eau mais, grossi 500 fois jusqu’à la taille d’un éléphant, il n’en serait plus capable.
De plus, ce qui se passe à l’interface entre chaque élément constitutif est aussi très important. Plus il y a d’éléments, plus la surface d’échange augmente. Celle des objets nanométriques est par conséquent immense. Il est ainsi possible de modifier les propriétés d’un matériau en le façonnant à cette échelle. Par exemple, le cuivre formé de nanocristaux est trois fois plus résistant mécaniquement qu’en microcristaux. Une poussière de nanotubes « en vrac » a une immense surface d’échange avec son environnement : plusieurs centaines de mètres carrés par gramme. Cela permet notamment d’augmenter l’efficacité des catalyseurs de l’industrie chimique ou des pots d’échappements pour le même volume de matière.
Certains matériaux réémettent de la lumière visible quand ils sont éclairés : c’est le phénomène de photoluminescence. Sous des rayons ultraviolets, la couleur émise par des nanocristaux de séléniure de cadmium change en fonction de leur dimension, passant du bleu pour des grains de 2 nm au vert pour 3 nm, puis au rouge pour 5 nm. Dotés de cette propriété, les nanocristaux de semi-conducteurs, souvent appelés quantum dots, peuvent être utilisés dans le marquage moléculaire ou encore comme marqueurs d’objets précieux et de produits commerciaux.
On peut ainsi utiliser la réactivité ou les propriétés de certaines nanoparticules pour obtenir des surfaces fonctionnalisées : vitres autonettoyantes, miroirs antibuée, revêtements antibactériens et/ou fongicides… Pour cela, il faut déposer une couche de ces nanoparticules à la surface d’un objet en matériau ordinaire avec des procédés comme le sol-gel ou le dépôt en phase vapeur.

La nature inspiratrice
Le gecko, petit animal qui ressemble à un lézard, a la propriété étonnante de courir au plafond ! En examinant de très près la surface de ses pattes, on a découvert qu’elle est constituée d’un tapis de fibres très serrées qui lui donne cette superadhérence. Des chercheurs sont en train d’en copier la structure pour reproduire cet effet de nano-velcro…
La feuille de lotus, quant à elle, présente une propriété étonnante : elle est superhydrophobe. L’étude nanométrique de sa surface met en évidence une nanostructure qui fait glisser les gouttes, et permet de comprendre comment et pourquoi, même plongée dans l’eau, elle paraît toujours sèche. L’intérêt de cette recherche est de pouvoir fabriquer des verres hydrophobes qui pourraient équiper les véhicules et la lunetterie.
Les objets nanométriques « naturels » sont depuis toujours présents dans notre environnement. Les grains d’argent des émulsions photographiques, la poudre à base d’encre de Chine, les colorants des verres (de certaines cathédrales par exemple) contiennent des nanoparticules. Mais les objets dérivant des nanotechnologies ne sont fabriqués que depuis quelques années. Aujourd’hui, plus de 350 produits grand public sont commercialisés pour lesquels le constructeur mentionne au moins un élément dérivé des nanotechnologies. Parmi eux, on compte des cosmétiques, des systèmes électroniques et des produits ménagers et sportifs.
Pour beaucoup d’applications, des nanoparticules aux propriétés déterminées sont incluses dans une matrice, créant ainsi un matériau composite fonctionnel. Tout, ou presque, est envisageable : béton ultraléger, résistant et auto-cicatrisant, film de polyéthylène antibactérien (en incluant des nanoparticules d’argent) et imperméable aux rayons UV (grâce à des nanoparticules de dioxyde de titane), crèmes solaires incorporant, elles aussi, des nanograins de dioxyde de titane pour l’absorption des UV dangereux pour la peau, céramiques nanorenforcées rendues bio­compatibles, matières plastiques à base de polymères rendues conductrices, ininflammables ou plus résistantes…

DES NANOS AU SERVICE DE L'ÉNERGIE

L’apport des nanomatériaux et des matériaux nanostructurés est stratégique dans le domaine de l’énergie nucléaire du futur, en particulier dans les projets liés aux réacteurs de « Génération IV ».
 

En effet, qu'il s'agisse des nouveaux alliages métalliques renforcés par une dispersion très fine d’oxyde (aciers ODS) ou de composites à matrices céramiques (CMC), les performances de ces matériaux reposent sur leur nanostructuration. Elles permettent par exemple aux premiers de renforcer leur résistance lors de leur utilisation en environnement sévère ; aux seconds de présenter une conductivité thermique élevée. Le développement pour le nucléaire de ces matériaux nanostructurés permettra la diffusion de connaissances, de savoir-faire technologique et d’innovation dans d’autres secteurs industriels.
Les nouvelles technologies de l’énergie intègrent aussi ces recherches.
Premier exemple : les cellules photovoltaïques. Les dispositifs actuels en silicium cristallin convertissent au maximum 16 à 18 % de la puissance du Soleil en énergie électrique, mais la fabrication des cellules est coûteuse, complexe, et exige de grandes précautions. Les nanotechnologistes élaborent des structures photosensibles flexibles, à partir de plastiques conducteurs, actuellement en phase de test.

L’apport des nanomatériaux et des matériaux nanostructurés est stratégique dans le domaine de l’énergie nucléaire du futur.

Pour les piles à combustible, le polymère des membranes a été rendu plus résistant mécaniquement, chimiquement et thermiquement. Les particules de platine, qui jouent le rôle de catalyseur, ont été remplacées par des nanoparticules, permettant ainsi d’économiser du métal précieux.
Le champ des possibles est immense. À l’évidence, des secteurs comme l’aéronautique et l’aérospatial, toujours à la recherche de matériaux légers et ultra-performants, seront de gros utilisateurs. Les moyens de transport terrestres, maritimes et aériens seront plus légers, emporteront plus de charge utile tout en consommant moins d’énergie et donc en polluant moins. L’industrie textile connaîtra aussi sans doute des bouleversements : de nombreux scientifiques travaillent déjà sur des tissus « intelligents ».

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La microélectronique : passer du design à la fabrication

Si les puces électroniques se retrouvent aujourd'hui dans de très nombreux objets de la vie quotidienne, c'est qu'elles sont fabriquées en série et contiennent des milliards de composants. Cette production fait appel à des technologies d'une extrême complexité et nécessite donc des infrastructures et des équipements très coûteux.

Publié le 18 octobre 2018

DU SABLE... POUR EXTRAIRE LE SILICIUM
De par ses propriétés de semiconducteur, le matériau de base des circuits intégrés est aujourd'hui encore le silicium. Extrait du sable (oxyde de silicium) par réduction chimique, il est cristallisé sous forme de barreaux de 20 ou 30 cm de diamètre, ensuite sciés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur qui sont polies jusqu’à obtenir des surfaces lisses à 0,5 nanomètre près. C’est sur cette tranche, appelée wafer, que des centaines de puces sont fabriquées simultanément, grâce à la répétition ou la combinaison d’opérations élémentaires : traitement thermique, nettoyage, dépôt, photolithographie, gravure et dopage. Les dimensions les plus fines obtenues aujourd’hui industriellement permettent de disposer et de connecter des millions de composants de base - les transistors - par circuit, et de multiplier ainsi les fonctionnalités. Cette fabrication collective, qui fait chuter les coûts unitaires, est l’un des atouts majeurs de l’industrie microélectronique. Mais elle durcit aussi les exigences de production : une erreur de manipulation, quelques secondes en plus ou en moins et ce sont plusieurs centaines de circuits qui finissent à la poubelle…


LE DESIGN DES CIRCUITS
Impossible de concevoir un circuit de plusieurs millions d'éléments sans l'aide de l'ordinateur : tout concepteur de puces recourt à la CAO pour déterminer les principales fonctions, puiser des modules dans des bibliothèques informatisées, arranger ces modules les uns par rapport aux autres, simuler le fonctionnement global... L'exercice est long, difficile et incroyablement minutieux : en imaginant qu'un micro-processeur de 100 millions de transistors ait la taille d'un carré de 6 km de côté, chaque isolant de grille de transistor aurait une épaisseur d'un millimètre seulement !


6 étapes clés de fabrication
 1- Le traitement thermique

Réalisé dans des fours à des températures de 800 à 1 200° C, il permet de réaliser des couches d'oxyde et de nitrure de silicium par exemple, réarranger des réseaux cristallins ou effectuer certains dopages.   

2- Les dépôts

Ils apportent à la surface du silicium des couches conductrices ou isolantes : oxydes, nitrures, siliciures, tungstène, aluminium... Ils sont effectués par diverses techniques physiques ou chimiques : dépôt en phase vapeur (CVD), pulvérisation, épitaxie... 

3- La photolithographie


Etape-clé, elle consiste à reproduire dans la résine photosensible le dessin des circuits à réaliser. Ces motifs complexes sont générés en une seule exposition. La lumière d’une source lumineuse de très faible longueur d’onde (UV ou rayons X, pour les gravures les plus fines) y projette l’image d’un masque. Plus la résolution optique est poussée, plus la miniaturisation des circuits est améliorée. 

4- Le nettoyage

Les nombreuses opérations de nettoyage des tranches représentent presque un tiers du temps total de processus de fabrication. 

5- La gravure


A l’inverse du dépôt, la gravure enlève de la matière, toujours dans le but de réaliser un motif. Deux voies principales : la gravure dite humide, qui utilise des réactifs liquides, et la gravure sèche (ou gravure plasma) qui emploie des réactifs gazeux. En 2004, les gravures les plus fines en production mesuraient 130 nm. Dix ans après, elles n’étaient plus que de 14 nm ! 

6- Le dopage

Pour introduire au cœur du silicium les atomes qui vont modifier sa conductivité, les plaquettes sont chauffées entre 800 et 1 100° C dans des fours, en présence du gaz dopant, ou bombardées par implantation à travers un masque par un faisceau d’ions accélérés. Aujourd'hui, réaliser un circuit intégré complexe demande la succession de plusieurs centaines d'opérations. 

La photolithographie
Elle est limitée par les phénomènes de diffraction et de longueur d'onde du faisceau de lumière utilisé. Aujourd'hui, avec des détails de l'ordre de 10 à 20 nm, la photolithographie atteint ses limites techniques et des effets dus à la physique quantique perturbent le fonctionnement des circuits ; par exemple, des électrons sautent d'un « fil » à l'autre par effet tunnel. Les motifs peuvent aussi être gravés au moyen de faisceaux d'électrons, mais les dessins doivent alors être tracés les uns après les autres. La lithographie par faisceau d'électrons (E-beam) permet d'atteindre une résolution nanométrique, correspondant à leur longueur d'onde.


L'ENVIRONNEMENT DE LABORATOIRE
A l'échelle d'une puce, un minuscule grain de poussière représente un rocher qui bouche les chemins creusés pour la circulation des électrons. C'est pourquoi la fabrication a lieu en « salle blanche ». L'air est filtré et entièrement renouvelé 10 fois par minute. Il contient 100 000 à 1 million de fois moins de poussières que l'air extérieur. Les opérateurs portent en permanence une combinaison qui les couvre des pieds à la tête et retient les particules organiques et les poussières qu'ils génèrent naturellement. Les opérations de photolithographie nécessitent une ambiance appelée inactinique : les lampes utilisées, le plus souvent jaunes (la plage de longueur d'onde ultraviolette est retirée), n'ont pas ou peu d'effets photochimiques sur les résines photosensibles recouvrant les wafers.

Animation
Visite virtuelle - Le Leti, laboratoire d'électronique et de technologie de l'information

LA PUCE
Pour finaliser la fabrication, une pellicule métallique est déposée aux endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie. Puis les circuits intégrés sont testés, directement sur le wafer. Enfin, celui-ci est découpé pour obtenir des puces, insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur. Des tests de validation et de qualification, à différentes fréquences et températures, sont alors entrepris.


ZOOM SUR MINATEC


Initié par le CEA et l'Institut national polytechnique de Grenoble, soutenu par les collectivités locales et territoriales, Minatec est le premier pôle européen, et l'un des premiers mondiaux, dédié aux micro et nanotechnologies. Le site est constitué de 45 000 m2  de laboratoires, bureaux et salles blanches (8 000 m2) pour la nanoélectronique et les microsystèmes, une plateforme de nanocaractérisation (1 500 m2), un centre de développement, caractérisation et simulation de composants opto-électroniques, des chambres anéchoides, une plateforme de cybersécurité…
4 000 personnes environ y travaillent, parmi lesquelles 1 200 chercheurs, 1 000 étudiants, 200 enseignants-chercheurs et 1 000 emplois industriels directs.

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