La supraconductivité est l'un des phénomènes les plus remarquables de la physique de la matière condensée, promettant de remodeler la façon dont nous générons, transmettons et utilisons l'énergie. Découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, tout en étudiant la résistance du mercure à des températures cryogéniques, la disparition soudaine de la résistance électrique à une température critique a ouvert une nouvelle frontière en science.

Qu'est-ce que la supraconductivité?

La supraconductivité est un état mécanique quantique dans lequel un conducteur électrique présente une résistance électrique exactement nulle et expulse les champs magnétiques sous une certaine température, connue sous le nom de température critique (Tc Contrairement aux conducteurs ordinaires comme le cuivre ou l'aluminium, où une certaine énergie est toujours dissipée comme chaleur par diffusion d'électrons, un supraconducteur à l'état de courant ne perd aucune énergie. Cette absence de résistance signifie qu'un courant – une fois commencé – peut persister indéfiniment dans une boucle fermée sans aucune source d'énergie externe. L'expulsion des champs magnétiques, l'effet Meissner, n'est pas une conséquence de la conductivité parfaite seule; c'est une signature distincte qui définit la phase supraconductrice.

La température critique varie grandement d'un matériau à l'autre. Les supraconducteurs traditionnels à basse température, comme le niobium (Tc convenus 9,2 K) ou l'étain niobium (Tc individuellement 18 K), nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide pour atteindre leur état supraconducteur. En 1986, la découverte de supraconducteurs à haute température (HTS), comme l'oxyde de cuivre yttrium barium (YBCO), a poussé la température critique au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide (77 K), réduisant considérablement les coûts de refroidissement et étincelleant un élan d'espoir pour des applications pratiques.

La physique derrière la supraconductivité

La compréhension de la supraconductivité exige une plongée dans la théorie quantique. L'explication largement acceptée de la supraconductivité conventionnelle est la théorie BCS, formulée par John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer en 1957, pour laquelle ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1972. L'idée centrale est que les électrons, qui se repoussent normalement à cause de charges semblables, peuvent former des paires liées, appelées paires Cooper, par une interaction attrayante médiée par des vibrations de réseau (phonons).

Les paires de Cooper et le fossé énergétique

Dans un métal normal, les électrons se déplacent individuellement et dispersent les impuretés, les défauts de réseau et les vibrations thermiques, donnant lieu à une résistance. Tc, l'énergie thermique est insuffisante pour briser les paires Cooper. Parce que les paires sont corrélées sur une longue portée (habituellement des centaines de nanomètres), elles tunnelent collectivement à travers le réseau sans échanger d'énergie. Ce mouvement collectif est ce que nous observons comme flux de courant à résistance zéro.

L'effet Meissner

Lorsqu'un matériau passe à l'état supraconducteur, il expulse activement les champs magnétiques de son intérieur, effet connu sous le nom d'effet Meissner. Ce diamagnétisme parfait n'est pas simplement une conséquence de la résistance zéro (qui s'opposerait passivement aux changements de flux magnétique) mais une véritable transition en phase thermodynamique. L'expulsion peut être si complète qu'un supraconducteur peut léviter un aimant, phénomène souvent utilisé dans les démonstrations en classe et d'une grande importance pratique pour les roulements magnétiques et les trains lévités.

Superconducteurs de type I et de type II

Les supraconducteurs sont classés en deux familles principales, en fonction de leur comportement magnétique. Superconducteurs de type I (par exemple, mercure, plomb) présentent une transition marquée : sous un domaine critique Hc Ils sont parfaitement diamagnétiques; au-dessus, ils reviennent à l'état normal. Ces matériaux ont des champs critiques faibles, limitant leur utilisation pratique. Superconducteurs de type II (p. ex., niobium-titanium, YBCO) ont deux champs critiques : Hc1 et Hc2. Entre eux, le flux magnétique pénètre dans des tourbillons quantifiés alors que le volume reste supraconducteur.

Cela permet aux matériaux de type II de rester supraconducteurs dans des champs magnétiques beaucoup plus élevés, les rendant indispensables pour les puissants électroaimants, tels que ceux utilisés dans les aimants IRM et les accélérateurs de particules.

Concepts clés de la supraconductivité

  • Température critique (T)c) : Température au-dessous de laquelle un matériau entre dans l'état supraconducteur. Tc les valeurs réduisent les exigences en matière de refroidissement.
  • Champ magnétique critique (H)c) : Le champ magnétique maximal qu'un supraconducteur peut supporter avant de perdre sa supraconductivité. Essentiel pour les applications à champ élevé.
  • Densité critique du courant (J)c) : Le courant maximal par section transversale qu'un supraconducteur peut transporter sans revenir à l'état normal. Détermine la capacité du câble.
  • Effet Meissner : Expulsion des champs magnétiques, conduisant à un comportement diamagnétique parfait.
  • Profondeur de pénétration à Londres : La profondeur caractéristique à laquelle un champ magnétique peut pénétrer la surface d'un supraconducteur.
  • Longueur de cohérence : La taille caractéristique d'une paire Cooper, qui affecte l'interaction entre la supraconductivité et les défauts.
  • Anisotropie: Dans les matériaux HTS, les propriétés varient souvent fortement avec la direction cristalline, ce qui complique la fabrication des fils.

Applications potentielles dans le domaine du transport d'énergie

Les réseaux électriques conventionnels perdent entre 5 et 10 % de l'électricité produite sous forme de chaleur en raison de pertes résistives dans les lignes de transmission. Sur les distances continentales, ces pertes se composent. Les câbles supraconducteurs, qui transportent du courant sans résistance, pourraient pratiquement éliminer ces déchets, fournissant plus d'énergie avec la même quantité de production.

Plusieurs projets pilotes démontrent déjà la faisabilité. Département de l'énergie des États-Unis a soutenu des installations de câbles HTS dans des réseaux urbains, comme un câble de 200 mètres à Albany, New York, et un projet plus long à Columbus, Ohio. Ces câbles transportent trois à cinq fois plus d'énergie que les câbles en cuivre conventionnels de même diamètre, utilisant le refroidissement par azote liquide. Projet Ampacity à Essen, en Allemagne, a démontré un câble HTS de 1 km qui a fonctionné avec succès pendant des années, prouvant la fiabilité de la technologie dans un environnement de réseau réel.

Avantages des lignes électriques supraconductrices

  • Perte de résistance zéro: Aucune énergie ne s'est dissipée sous forme de chaleur pendant la transmission, ce qui a permis d'économiser directement les coûts et d'accroître l'efficacité du système.
  • Densité de puissance supérieure: Un seul câble supraconducteur peut transporter la même puissance que plusieurs câbles conventionnels, réduisant ainsi le besoin de nouveaux conduits d'emprise et souterrains.
  • Fonctionnement à basse tension: Comme la résistance est éliminée, la puissance peut être transmise à des tensions inférieures, réduisant les besoins en isolation et les pertes de transformateurs.
  • Réduction de l'empreinte environnementale : Moins d'utilisation du sol et d'impact visuel, et moins de champs électromagnétiques que les lignes aériennes à haute tension.
  • Limite du courant de défaillance : Certains câbles supraconducteurs sont conçus pour agir comme limiteurs de courant de défaillance (SFCL), se transformant automatiquement en état de résistance pendant les surtensions et protégeant les équipements de grille.

Défis à surmonter

  • Refroidissement cryogénique: Même les fils HTS nécessitent un refroidissement à l'azote liquide (~77 K), ce qui ajoute complexité, consommation d'énergie et coûts d'entretien. Le processus de refroidissement lui-même consomme une partie de l'énergie économisée, bien que les avantages au niveau du système l'emportent encore.
  • 2.1.2 Fracture du matériau: De nombreux matériaux HTS, comme YBCO, sont céramiques et cassants, ce qui les rend difficiles à fabriquer en câbles longs et flexibles. Les bandes HTS de deuxième génération (conducteurs enduits) ont une plus grande flexibilité mais restent coûteuses.
  • Pertes en CA: Dans les systèmes à courant alternatif, même les supraconducteurs présentent une certaine hystérésis et des pertes de courant de Foucault, ce qui réduit le gain net d'efficacité.
  • Coût élevé: Les câbles supraconducteurs coûtent actuellement plusieurs fois plus cher par mètre que les câbles en cuivre.
  • Fiabilité et durée de vie: Il faut s'attaquer au cycle thermique, aux contraintes mécaniques et à la dégradation éventuelle du supraconducteur au fil du temps pour assurer le fonctionnement à long terme du réseau.

Au-delà des lignes électriques : autres applications de transformation

Bien que la transmission d'énergie soit une application de premier plan, la supraconductivité joue déjà un rôle crucial dans d'autres domaines, et de nouvelles utilisations émergent.

Imagerie médicale: IRM et RMN

Les spectromètres à résonance magnétique (IRM) et à résonance magnétique nucléaire (RMN) reposent sur des champs magnétiques puissants et stables générés par des aimants supraconducteurs. Ces aimants utilisent des bobines de niobium-titane à basse température refroidies avec de l'hélium liquide pour produire des champs de 1,5 à 7 tesla (ou plus pour la recherche).

Maglev Trains et transports

Les aimants supraconducteurs permettent aux trains de lévitation magnétique (maglev) de flotter au-dessus de la voie, éliminant ainsi les frottements et permettant des vitesses supérieures à 600 km/h. Chūō Shinkansen utilise des aimants supraconducteurs (suspension électrodynamique) pour atteindre ces vitesses. Les futurs modèles peuvent incorporer des aimants HTS pour un refroidissement plus simple et un poids plus faible.

Accélérateurs de particules et énergie de fusion

Les grands accélérateurs de particules, comme le grand collisionneur d'Hadron au CERN, comptent sur des milliers d'aimants supraconducteurs pour plier et focaliser les faisceaux de particules. ITERLes progrès réalisés dans les aimants HTS pourraient permettre de réduire les dispositifs de fusion moins chers, un objectif poursuivi par des startups comme Commonwealth Fusion Systems.

Calcul quantitatif

Les circuits supraconducteurs sont la principale plateforme physique pour la construction d'ordinateurs quantiques. Les entreprises comme Google, IBM et Rigetti utilisent des qubits supraconducteurs (transmons, qubits de flux) qui fonctionnent à des températures millikelvines. Ces qubits exploitent l'effet Josephson – une autre manifestation de supraconductivité – pour créer des inducteurs non linéaires qui forment la base des portes quantiques.

Recherches et percées actuelles

La recherche sur la supraconductivité est intense sur plusieurs fronts.La recherche d'un supraconducteur à température ambiante et à pression ambiante est le ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Article sur la nature à partir de mars 2023 décrit la controverse et l'enquête en cours.

D'autres orientations prometteuses sont notamment:

  • 2.2.4.2 supraconducteurs à hydrure: Les composés riches en hydrogène sous haute pression ont montré une très forte Tc valeurs, par exemple, H3S (203 K à 150 GPa) et LaH10 (250 K à 170 GPa) Le défi consiste à réduire la pression requise.
  • Réducteurs de nickel: On a montré que les oxydes à base de nickel étaient supraconducteurs, offrant une nouvelle famille de matériaux pour étudier les mécanismes de supraconductivité à haute température.
  • Graphène bicouches tordus: Lorsque deux couches de graphiène sont empilées à un angle -magique, - elles deviennent supraconductrices à très basses températures, fournissant une plate-forme pour étudier des systèmes fortement corrélés.
  • Amélioration des fils HTS: Les fabricants comme Superpuissance et ASM sont la production à échelle de bandes HTS de deuxième génération, réduisant les coûts et améliorant les performances pour les applications de grille et d'aimant.

L'avenir de la supraconductivité dans les systèmes énergétiques

À court terme, les limiteurs de courant de faille HTS et les câbles sont déployés dans les zones urbaines et les centres de données limités, où les économies d'espace et les avantages de fiabilité compensent le coût initial plus élevé. Les transformateurs supraconducteurs et les dispositifs de stockage d'énergie (par exemple, le stockage d'énergie magnétique supraconducteur – SMES) sont également en cours de développement.

À mesure que les sources d'énergie renouvelables comme l'énergie éolienne et solaire se généralisent, la nécessité d'une transmission efficace à longue distance des sites de production d'énergie (par exemple, parcs éoliens offshore, centrales solaires désertiques) devient critique. Les câbles supraconducteurs pourraient permettre de navetter cette énergie avec une perte minimale, éventuellement en utilisant des liaisons supraconducteurs à haute tension (HVDC).

Cependant, une adoption généralisée repose sur des percées dans les matériaux et le refroidissement. Si un supraconducteur à température ambiante, à pression ambiante, est découvert, ou même un supraconducteur pratique fonctionnant à -50 °C avec un refroidissement bon marché, l'ensemble du système électrique pourrait être refait. Jusqu'à ce moment, la technologie HTS existante se révèle déjà utile dans les applications de niche, et des améliorations progressives continues élargiront sa portée.

En conclusion, la supraconductivité n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, mais une technologie de maturation ayant des performances réelles éprouvées. La physique est bien comprise pour les supraconducteurs conventionnels, et bien que la supraconductivité à haute température soit toujours un mystère, les applications basées sur ces matériaux sont déjà déployées. Le potentiel de révolutionner la transmission d'énergie – et bien d'autres secteurs – reste vaste, limité principalement par les défis techniques et matériels qui sont progressivement surmontés.