Les sous-marins intriguent les plus petits comme les plus grands et font toujours l’objet de curiosités et de questionnements… D’où vient donc ce pouvoir de fascination ?

Le Drakkar sous-marin vu par Alex

Quel enfant n’a jamais rêvé de pénétrer dans un sous-marin ? C’est aujourd’hui possible dans de nombreux sous-marins démantelés et mis en exposition comme l’Argonaute (sous marin des années 50) à la cité des sciences de la Villette à Paris ou le Redoutable à Cherbourg (le premier sous marin nucléaire français). Cependant, il est souvent difficile de se faire une idée de leur fonctionnement, ce que je vais donc essayer de vous expliquer dans ce billet.

Le sous-marin se différencie du bathyscaphe par sa capacité à pouvoir se déplacer en surface de l’eau ainsi que sous l’eau dans les 3 dimensions (le bathyscaphe ne peut se déplacer que selon l’axe vertical). Un sous-marin est donc doté d’un système de propulsion et de safrans de direction (gouvernails) pour se mouvoir dans les 3 dimensions ainsi que d’un ensemble de ballasts pour plonger et « flotter entre deux eaux ».

Le principe physique

Les sous-marins sont basés sur le principe de la poussée d’Archimède qui dit que « Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède ». On peut formuler cette loi de manière mathématique en écrivant que la force résultante de cette poussée verticale vers le haut est égale à : F = rho* V * g où « rho » et « V » sont la densité et le volume du fluide déplacé et « g » est l’accélération gravitationnelle (environ 10 m/s2 pour la Terre).

Appliquée au sous-marin, cette loi physique implique que pour faire demeurer le sous marin sous l’eau à une profondeur constante, sa densité doit être égale à la densité de l’eau. Si la densité du sous-marin est supérieure, il coule et si sa densité est inferieure, il remontera vers la surface.

Comme les sous-marins doivent maitriser leur densité pour monter ou descendre et qu’ils ont un volume constant, un système de ballasts pouvant se remplir d’eau ou d’air permet de modifier la masse et donc la densité du sous-marin. Les ballasts sont des réservoirs situés entre la coque extérieure et la coque intérieure des sous-marins. Elles sont disposées symétriquement de manière à bien équilibrer le sous-marin et peuvent être reparties différemment selon le type de sous-marin. Il existe aussi des volumes plus petits appelés régleurs qui permettent de maitriser précisément la masse du sous-marin pour adapter sa densité exacte en fonction du nombre de personnes et d’équipement à son bord. 

Répartition des ballasts dans différents types de sous marins.

Source : http://codingrulz.free.fr/fichiers/ballast.htm

La coque

Plus on plonge profondément, plus la pression exercée par l’eau sur le sous-marin est importante : c’est le principe de Pascale qui peut s’écrire : dP = rho * g * dz avec « dP » la différence de pression en Pascal, « rho » la densité du liquide ou du gaz, « g » l’accélération gravitationnelle (environ 10 m/s2 pour la Terre) et « dz » la différence de hauteur, c’est-a-dire la profondeur pour un sous-marin.

Dans le cas d’un sous-marin à 10 mètres de profondeur sous l’eau (rho=1000 kg/m3 pour l’eau) la pression augmente donc de dP = rho * g * dz = 1000 * 10 * 10 = 100 000 Pascal = 1 bar.

Pour un sous-marin qui plonge à 200 m, il doit donc endurer des pressions de 20 bars sur sa coque car on veut conserver une pression de 1 bar à l’intérieur. Pour supporter ces pressions, les sous-marins possèdent 2 coques : la coque extérieure permet d’isoler les ballasts et ne subit aucune pression, elle est donc légère et sa forme est calculée pour être aérodynamique dans l’eau alors que la coque intérieure doit être suffisamment épaisse et élastique pour encaisser les changements de pression. Il faut en général augmenter l’épaisseur de la coque intérieure de 10 mm pour pouvoir résister à une augmentation de pression de 10 bar (soit environ 100 m).

Le pilotage

Les sous-marins possèdent un système de propulsion pour se déplacer en translation selon 1 axe ainsi qu’un ensemble de safrans de direction pour modifier la trajectoire et l’inclinaison du sous-marin comme dans un avion. Les salles de contrôles des sous-marins modernes ressemblent donc plus à un cockpit d’avion qu’à une cabine de bateau.

Des caisses d’assiettes permettent également un équilibrage longitudinal du sous-marin de manière à le conserver horizontal ou selon un angle précis avec l’horizon quelques soit les déséquilibres dus aux mouvements de personnes et de matériels à l'intérieur.

Salle de contrôle du sous-marin américain USS Seawolf ( SSN 21)

Les systèmes de propulsion

Le système de propulsion d’un sous-marin doit répondre à 3 grandes exigences :

- Prendre le moins de place possible en prenant en compte le combustible embarqué.

- Etre le plus silencieux possible pour ne pas se faire repérer par des sonars.

- Fonctionner de manière anaérobie autant que possible, c’est-à-dire sans utiliser d’air vu qu’en immersion totale, le milieu extérieur est l’eau et non l’air.

La propulsion mixte diesel-électrique a été la méthode de propulsion la plus utilisée dans la première moitié du 20^ème siècle, particulièrement lors des deux guerres mondiales.  Le principe consiste à utiliser un moteur diesel en surface qui est bruyant et nécessite de l’air pour fonctionner tout en rechargeant des accumulateurs électriques qui pourront par la suite alimenter un moteur électrique lors des plongées car les moteurs électriques sont silencieux et anaérobies (ils fonctionnent sans air). Le problème de cette technique est que les accumulateurs électriques prennent beaucoup de place pour une autonomie réduite, en générale une dizaine d’heures.

Pour remédier à ce problème majeur entrainant une grande vulnérabilité des sous-marins, les hollandais inventèrent un tube à air périscopique appelé schnorchel qui permet de faire fonctionner les moteurs diesels lorsque le sous-marin est à quelques mètres de profondeur. Ce tube dépasse de 1 mètre environ du niveau de l’eau et permet de faire une entrée et une sortie d’air pour les moteurs diesels (le sous marin est donc nettement moins visible). Les têtes des schnorchels ont par la suite été équipées par les Allemands d’un clapet permettant d’éviter l’entrée d’eau dans le tube en cas de mer agitée.

Merguez partie au dessus du Schorchel (dessin d'Alex)

La propulsion nucléaire est le type de propulsion le plus utilisé dans les 50 dernières années pour les sous-marins militaires qui recherchent une grande autonomie sous-marine de manière à couvrir de grandes distances sans avoir besoin de remonter à la surface. Le premier sous-marin nucléaire de l’histoire est le sous-marin américain Nautilus (1954).

Un réacteur nucléaire (généralement à eau pressurisée) fournit de la chaleur grâce à la fission nucléaire de combustible tel que l’uranium. Cette chaleur permet d’évaporer de l’eau entrainant une turbine à haute vitesse. Cette turbine est ensuite couplée à un alternateur produisant de l’électricité pour alimenter un moteur électrique faisant tourner l’hélice du sous-marin (la turbine peut également entrainer directement l’hélice mais il y a toujours un alternateur pour fournir de l’électricité dans tout le sous-marin)

Schéma de fonctionnement d'un sous-marin nucléaire

La propulsion nucléaire comporte tous les avantages requis dans un sous-marin : le combustible prend peu de place et demande peu de réapprovisionnement (à titre d’exemple, le sous-marin nucléaire français Rubis peut fonctionner 30 ans sans approvisionnement). De plus, l’autonomie en plongée est de plusieurs mois tout en gardant une puissance de propulsion importante en immersion totale (contrairement aux autres propulsions).

Les AIP (Air Independent Propulsion) représentent une autre classe de propulsion permettant au sous-marin de fonctionner avec un type de propulsion classique mais sans apport d’air tout en  s'affranchissant du danger que peu représenter un système à propulsion nucléaire. La première solution AIP a été d’utiliser la propulsion classique diesel mais en recyclant les gaz d’échappement en réinjectant de l’oxygène stocké sous forme liquide à bord (peu d’autonomie). Les suédois utilisent quant à eux une propulsion mixte moteur Stirling-électrique pouvant fonctionner sans air. Un moteur Stirling est un moteur à combustion externe nécessitant simplement un gaz à comprimer et à détendre avec une source chaude et une source froide. Enfin la propulsion AIP la plus prometteuse est sans doute l’utilisation de la pile à combustible hydrogène comme le sous-marin allemand Unterseeboot type 212 ayant une autonomie anaérobie complète de 3 semaines avec une signature acoustique faible.

Schéma de principe du procédé Stirling de Kockums.

Source : Zone sous-marin

PS : Encore merci à Alex pour ces petits dessins spécialement faits pour ce billet.

Tous les skieurs de randonnée sont familiers à cet appareil qui peut sauver des vies en cas d’avalanches. 

Attention : ce billet n’est pas une explication de l’utilisation d’un ARVA qui est propre à chaque appareil et que tous les utilisateurs doivent connaitre avant de faire des sorties! Il est conseillé pour cela de faire des formations pratiques sur le terrain avec des professionnels.
 

Le terme ARVA représente en France l’ensemble des appareils capables d’émettre ou de chercher un signal électromagnétique dans le but de localiser des personnes ensevelies par une avalanche. Notez qu’en Suisse, on parle de DVA (Détecteur de Victimes d'Avalanche).
 

Un ARVA peut fonctionner soit en monde émission (mode par défaut pendant la randonnée), soit en mode réception pour détecter d’éventuels signaux provenant d’un autre appareil enseveli sous la neige.

L’émission

L’ARVA émet un signal électromagnétique haute fréquence bien précis de 457 kHz (norme internationale depuis 1992). Il est équipé d’une antenne dipolaire créant un champ électromagnétique dans son entourage. 

Lignes de champ électromagnétiques crées par un ARVA

L’antenne est constituée d’un barreau de ferrite entouré d’une bobine électrique généralement orientée selon le plus grand côté de l’appareil. En alimentant cette bobine par un signal électrique, on créé un champ électromagnétique. Si les piles de l’ARVA sont usées, le signal sera moins fort : il est donc indispensable d’avoir des piles bien chargées ! Pour économiser les piles, le signal n’est pas émis de manière continue mais par des impulsions brèves. La portée du signal peut variée entre 30m et 60m selon les modèles et les piles.

 

Signal émis par un ARVA selon la norme ETS300718

 La réception

Si une avalanche se produit et ensevelie plusieurs personnes, toutes les personnes à la surface éteignent leur ARVA (s’ils sont dans une zone sécurisée) et une (ou plusieurs) personnes va passer son ARVA en position «récepteur» de manière à localiser les signaux émis par les ARVA des personnes sous la neige.

      A l'époque de Tintin, l'ARVA n'existait pas encore, mieux valait avoir un chien...
 

Il existe des ARVA analogiques dans lesquels un « BIP » sonore augmente lorsque le signal reçu augmente (il y a en général une molette de calibrage pour obtenir un réglage plus fin). Dans ce cas, il n’y a pas d’indication de distance ou de direction et leur utilisation demande un entrainement régulier pour être efficace en situation réelle (en général, on dispose de 15 minutes pour retrouver une personne vivante).
 

Depuis quelques années, le marché a vu l’apparition d’ARVA numériques qui permettent d’évaluer la distance (en fonction de la force du signal) ainsi que la direction de l’émetteur grâce à une deuxième antenne réceptrice perpendiculaire à la première (voir même une troisième de manière à former un trièdre dans les 3 dimensions).

Un ARVA analogique et un ARVA numérique

- La position entre l’antenne émettrice et l’antenne réceptrice affecte l’intensité du signal reçu. Si l'antenne réceptrice est orientée selon la ligne de champ, le signal est maximal, à 45° le signal est divisé par environ 1,4 et si l'antenne est perpendiculaire aux lignes de champ, le signal est quasi-nul !! On voit ici l’intérêt d’avoir un ARVA possédant 2 ou 3 antennes pour être sûr de toujours détecter un signal assez fort.

- Il est important de savoir que les appareils fournissant une direction et une distance sont basés sur les lignes de champ du signal reçu. Ceci implique que la distance n’est pas la distance en ligne droite mais la distance en suivant la ligne de champ qui est courbe. De plus, la direction n’est pas la direction en ligne droite mais la direction de la ligne de champ, sachant que le sens n’est pas connu : on peut donc partir à priori dans le sens opposé, d’où l’importance de vérifier que la distance diminue bien lorsqu’on suit une direction (ne pas hésiter à faire demi-tour).

Personne enfouie verticalement (rare) : on détecte 2 maxima de part et d’autre de la victime (a et c) et un minimum juste au dessus (b) si on tient son ARVA horizontalement au sol.

Personne enfouis en biais (fréquent) : On détecte un maximum à proximité de la victime mais pas à l’aplomb (b) et les maxima locaux (a et c) ne sont pas symétriques.

Pour faire face à ces différents problèmes de recherche, il existe différentes techniques spécifiques (que je ne détaillerai pas ici, ce n’est pas le propos de ce billet) mais celles-ci demandent un entrainement vraiment régulier et allongent significativement le temps de recherche. Les ARVA équipés de plusieurs antennes de réception sont une première solution car ils permettent de gérer plusieurs directions à la fois et sont donc plus efficace lorsque la personne n’est pas parfaitement horizontale mais ils ne résolvent pas non plus tous les problèmes étant donnée que la position de l’ARVA enseveli est inconnue. Il faut simplement avoir en tête ces lignes de champ et ne pas suivre aveuglément les indications tout en évitant de « brusquer » les ARVA en les faisant tourner dans tous les sens pour ne pas les « perdre ».

Avant-hier à 15h12, heure française, la fusée Ariane 5 a décollée avec succès pour la 44^ième fois depuis Kourou en Guyane. Cette mission n'est pas anodine puisque Ariane 5 transportait 2 bijoux technologiques dédiés à la Science dans son « petit » chapeau : les satellites européens Planck et Herschel.

Planck et Herschel sont 2 télescopes spatiaux mais ils sont très différents l'un de l'autre. Herschel est un télescope relativement classique permettant l'observation dans l'infrarouge moyen et lointain à l'aide d'un miroir de 3,5 m de diamètre alors que Planck permet l'observation du rayonnement fossile micro-onde à l'aide de bolomètres ultrasensibles fonctionnant à très basses températures.

Ce billet est spécialement consacré au satellite Planck qui est un peu spécial. Planck doit d'abord atteindre un point particulier de l'espace (le point de Lagrange L2 qu'il atteindra dans 3 mois) pour pouvoir commencer à fonctionner pendant un peu moins de 2 ans.

Planck : comme Max

Le nom de ce satellite vient du physicien allemand Max Planck,  un des pères de la physique quantique, mais quel est le rapport ? Ce satellite a pour ambition de déterminer avec une extrême précision ce que les astrophysiciens appellent le rayonnement de fond cosmologique. Ce rayonnement est une application parfaite de ce qu'on appelle le rayonnement du corps noir, problème justement résolu par Max Planck à la fin du 19^ième siècle et qui permettra à Planck d'élaborer en 1900 à la théorie des quanta qui deviendra plus tard la fameuse physique quantique. L'étude du rayonnement électromagnétique d'un corps noir permet de calculer la température d'un objet à partir de l'analyse de son spectre, voir le billet Comment mesurer la température d'une étoile qui explique en détail tout ceci.

Le fond diffus cosmologique

On l'appelle aussi le rayonnement de fond cosmologique, le bruit de fond cosmologique ou plus simplement le rayonnement fossile, car il constitue le plus vieux fossile de notre Univers. D'après la théorie du Big-Bang, la première « lumière » a été émise par l'Univers 380 000 ans après sa création il y a 13 milliards d'années quand ce dernier c'était suffisamment refroidi à cause de son expansion (l'Univers s'était alors refroidi à 3000°C). A cet instant, les photons ont enfin pu se libérer pour aller vaquer à leur occupation favorite : se balader librement (on appelle cela rayonner en physique) créant ainsi de la lumière qui inondât l'Univers tout entier !

Ce rayonnement fossile primordial a été pensé théoriquement dans les années 40 et il a été détecté pour la première fois par le plus grand des hasards par 2 ingénieurs américains des laboratoires Bell en 1965 alors qu'ils travaillaient sur des antennes. Ils avaient détecté un « bruit de fond» qui perturbait leurs antennes dans toutes les directions du ciel. Ce bruit de fond constant présent dans toutes les directions autour des 160 GHz (micro-ondes) s'avéra être le fameux fond diffus cosmologique qui avait été prédit théoriquement mais qui demeurerait introuvable. Ce fut une énorme avancée pour la théorie du Big-Bang. Désormais ce rayonnement possède une température de 2,726 K comme l'Univers n'a pas cessé son expansion et donc son refroidissement.

Planck le cartographe

Un des objectifs scientifiques du satellite Planck est d'élaborer la « cartographie » la plus précise possible de ce rayonnement fossile qui possède d'infimes fluctuations. Deux missions américaines de la NASA ont déjà établi une cartographie relativement fine (COBE lancé en 1989 puis WMAP lancé en 2001) mais on cherche à quantifier encore plus précisément ces fluctuations qui ont certainement été à l'origine des futures grandes structures de notre Univers (Galaxies, amas, superamas....). Toute la cosmologie moderne se base essentiellement sur les fluctuations de ce rayonnement, d'où l'importance capitale de cette mission.

Des Bolomètres à ultra basse température

Pour détecter un rayonnement, on utilise un détecteur appelé « bolomètre » qui permet de mesurer précisément une quantité d'énergie électromagnétique reçue en convertissant l'énergie du rayonnement en chaleur. Au final on mesure la température du bolomètre de manière à déduire la quantité de chaleur issue du rayonnement. On comprend alors aisément que plus le bolomètre est chaud, et plus une petite variation de chaleur sera difficile à détecter. Conclusion : plus le bolomètre est froid, plus il est précis !

Planck est équipé de 54 bolomètres permettant de mesurer les rayonnements à différentes fréquences constituant le spectre du fond diffus cosmologique. Pour obtenir la précision requise par la mission, les bolomètres seront refroidis à d'ultra-basses températures, entre 90 mK et 130 mK (soit environ un centième de degré au dessus du zéro absolu, -273,15°C). La résolution ainsi obtenue sera 600 fois meilleure que la première mission américaine COBE.

Le réfrigérateur à dilution

Pour refroidir ces bolomètres, le satellite Planck embarque à son bord un réfrigérateur à dilution. Ce type de réfrigérateur fonctionne avec un mélange de 2 isotopes stables de l'hélium (3He et 4He). Les frigos à dilution commencent à une température de 4,2 K (avec de l'hélium liquide classique) pour fournir une puissance de réfrigération continue jusqu'à 2 millikelvins sans aucune partie mobile ! En général ils fonctionnent plutôt aux alentours des 100 mK.

En gros, le fait de « diluer » de l'hélium-3 liquide (très rare sur Terre) dans de l'hélium-4 liquide (l'hélium classique) permet de faire du froid. Ces 2 fluides cryogéniques sont assez particuliers car ils possèdent des points de liquéfaction très bas (4,2 K pour 4He et 3,2 K pour 3He à  pression atmosphérique). En dessous de 0,9 K 3He et 4He se séparent spontanément en 2 phases (1 phase riche en 3He et une phase pauvre en 4He) et quand l'hélium-3 « traverse » cette phase diluée pour ensuite s'évaporer, il y a création de froid (je ne rentrerai pas dans les détails ici), voir figure ci-dessous qui représente ce qu'on appelle la chambre de mélange qui se trouve en bas du réfrigérateur :

La dilution spatiale

Le principe de la dilution utilise la gravité pour séparer les mélanges, ce qui n'est pas possible dans un satellite! Un nouveau type de réfrigérateur à dilution pouvant fonctionner dans l'espace a donc été développé à Grenoble, le pôle de la cryogénie française. Le démonstrateur de la dilution a été construit à l'institut Néel (CNRS) à Grenoble par Alain Benoît, son équipe et les services techniques de son laboratoire. J'ai d'ailleurs eu la chance de voir un prototype de ce réfrigérateur à Grenoble il y a environ 2 ans alors que j'assistais à des cours de cryogénie. Le mélange 3He/4He circule dans des tubes de très petites dimensions qui rendent le système insensible à la gravité. Le réfrigérateur à dilution a ensuite été construit par la société française Air Liquide à Sassenage, à proximité de Grenoble. En revanche, le réfrigérateur de Planck fonctionne en boucle ouverte: le mélange est ensuite rejeté dans l'espace et la durée de vie du système dépend alors de la quantité d'hélium qui est embarquée au décollage (environ 2 ans de vie dans le cas de Planck). On souhaite une grande réeussite à cette mission européenne!

C’est arrivé à tout le monde, une photo avec flash et surprise: les yeux sont rouges vifs tel un lapin atteint de myxomatose! Cet effet n’est pas un problème des appareils photos comme beaucoup de gens le croient, nous avons vraiment les yeux rouges lors d’une photo prise de face avec un flash, mais pourquoi ?

Notre œil est composé de l’iris qui fait la couleur de nos yeux et d’une pupille noire en son centre. Les rayons lumineux entrent par la pupille et une image se forme sur notre rétine. La zone de convergence des faisceaux au centre de la rétine est appelée la macula. De nombreux vaisseaux sanguins irriguent la rétine et la macula, ce qui confère une couleur rouge à cette zone. Nos pupilles se dilatent plus ou moins selon la lumière, ainsi, dans la nuit, notre pupille est dilatée au maximum pour absorber le maximum de lumière. Si un éclair bref et violent comme un flash est émis, notre pupille n’a pas le temps de se rétracter et le flash éclaire alors directement le fond de notre œil. Si la photo est prise de face, le flash éclaire directement la macula qui est bel et bien rouge. Résultat : Nos pupilles apparaissent rouges sur la photo.

  Fond de l’œil : la rétine parcourue par des vaisseaux sanguins avec au centre la macula

Pour éviter cet effet yeux rouges, certains appareils possèdent un flash anti-yeux rouges qui émet un premier flash avant d’émettre le flash final permettant de prendre la photo dans l’obscurité. De cette manière, notre pupille se rétracte lors du premier flash et nous n’avons donc plus les yeux rouges lors du second flash vu que la pupille n’est plus dilatée.

Pour conclure, on peut éviter les yeux rouges sur une photo avec un « pré-flash » ou en prenant la photo de biais de manière à ne pas éclairer le fond de l’œil directement. On trouve également des filtres anti-yeux rouges dans les logiciels de retouche photo afin de remplacer le rouge par une couleur foncée. Cela marche bien mais il ne faut pas trop zoomer auquel cas la retouche est visible.

Ce sont des mots bien à la mode, beaucoup de personnes croient à un avenir « nano » (qui en grec signifie « très petit »). On entend dire que c’est un secteur clé et stratégique, qu’après l’ère de l’information avec Internet, ça sera au tour du « nano » de faire son boom et d’envahir notre quotidien et notre économie mais qu’est-ce que c’est exactement ? 

   Ces termes regroupent les sciences et les technologies intervenant à des échelles extrêmement petites, en général entre 1nm et 100nm (1 nm est égal à un nanomètre, soit un milliardième de mètre, soit 30 000 fois plus fin qu’un cheveu ).

Pour avoir une idée des différentes échelles, vous pouvez aller voir ce lien du CERN :  http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/P10/french/welcome.html

A titre de comparaison, tous les composants électroniques (majoritairement les transistors dans les ordinateurs) peuvent être classés dans le monde « micro », on parle d’ailleurs de « microinformatique » car la taille des composants descend jusqu’à 10µm (10 micromètres = 10 000 nanomètres ). Beaucoup de chercheurs et d’entreprises veulent laisser tomber le monde « micro » pour rentrer dans ce nouveau monde « nano ».

Dans le monde micro, on venait découper et assembler différents composants, on partait de quelque chose d’assez gros pour arriver à quelque chose d’assez petit, on parle alors d’approche descendante (top-down). Pour le nano, c’est l’inverse, c’est une approche montante (bottom-up) : on vient assembler des petites briques élémentaires (qui sont des atomes soit autour de 0.1nm) pour créer quelque chose de plus gros (enfin c’est relatif, ce quelque chose fait moins de 100nm). Pour manipuler ces atomes, on utilise des microscopes à effet tunnel (STM) pour les matériaux conducteurs et des microscopes à force atomique (AFM) pour les matériaux isolants. Ces deux microscopes permettent de reconstituer des images avec une finesse de l’ordre de l’atome et permettent également d’attraper un atome et de le déposer sur une surface. Pour savoir comment fonctionne ces deux microscopes vous pouvez aller voir ici.

 Grâce à ces instruments, on peut alors créer librement un assemblage d’atomes en les manipulant un par un. Les images ci-dessus représentent un bonhomme constitué d’atomes de carbone et un corral quantique (des atomes disposés en cercle) qui ont été créés par le laboratoire d’IBM en Californie à l’aide d’un STM. Evidemment, faire un bonhomme de quelque nanomètres c’est rigolo mais ça ne sert pas à grand chose… Quelles sont les applications pour que ce secteur soit tant convoité par tous les grands groupes technologiques du monde ?

Pour le moment, on voit trois grands domaines capables d’exploiter les nanotechnologies (les mots ne sont pas encore dans le dictionnaire mais ça ne va tarder à mon avis) :

-         Les nanomatériaux

-         La nanoinformatique

-         La nanobiotechnologie et la nanomédecine

Les nanomatériaux constituent la voie la plus prometteuse et c’est également elle qui exploite le plus de ressources humaines et financières depuis leurs découvertes en 1991 par les laboratoires japonais. Les produits phares sont bien entendu les nanotubes de carbones : 7 fois plus légers et 200 fois plus résistants que de l’acier et en plus ils sont souples et peuvent se « tordre ». Les laboratoires arrangent des atomes de carbones en pentagones et en hexagones dans le même plan pour venir ensuite l’enrouler comme du grillage et ainsi fabriquer un tube creux composé à 100% de carbone. Ces matériaux peuvent être utilisés dans l’aérospatiale et l’aéronautique pour des raisons de résistance et de poids mais aussi dans des raquettes de tennis ou dans l’industrie en général.

Mais il n’y a pas que les propriétés mécaniques qui font rêver, les propriété électroniques de ces matériaux sont aussi très convoitées. Suivant leur structure spatiale, ils peuvent être conducteurs ou semi-conducteurs (les semi-conducteurs sont les matériaux électroniques par excellence et composent tous les transistors et les diodes dans nos ordinateurs) d’où un avenir très prometteur pour développer la nanoinformatique. C’est bien pour cela qu’IBM et Intel dépensent des sommes gigantesques dans la recherche sur les nanotubes. En effet, IBM étudie très sérieusement la fabrication à échelle industrielle de transistors composés de nanotubes en carbone car ces matériaux seraient la solution pour continuer de respecter la loi de Moore qui va sûrement devenir fausse dans une petite dizaine d’années à cause d’une trop grande miniaturisation des transistors en Silicium. En effet, Gordon Moore, cofondateur de la société Intel avait affirmé en 1965 pour une conférence de presse, que "le nombre de transistors par circuit de même taille va doubler tous les 18 mois". Cette affirmation a marqué les esprits, puisqu'elle est devenue un défi à tenir pour les fabricants de microprocesseurs, et plus particulièrement pour Intel. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé chaque 1,96 année, les PC étaient donc de plus en plus puissants et de moins en moins chers. Mais on est encore loin du compte pour la nanoinformatique car pour le moment on fabrique ces transistors du futur « à la main » en petite quantité et c’est très long, l’étape industrielle va être un pas difficile à franchir. Mais il y a de fortes raisons de penser que nos micro-ordinateurs en silicium vont être détrônés par des nano-odinateurs en carbone.

Les nanosciences ont également de vent en poupe pour la biologie et la médecine. Des recherches actives sont menées dans ces domaines et les premières applications commencent à apparaître. Particulièrement des nano-diffuseurs implantés sous la peau qui vont diffuser un produit chimique en continu dans notre corps pour réguler certaines substances. On trouve ce genre de texte en cherchant un peu sur le net : « des nanoparticules implantées sous la peau, qui permettent l'affichage d'un écran de 6cm sur 5, le tout relié à des puces qui surveillent notre corps afin de pouvoir afficher un bilan complet » ou bien encore dans Courrier International : « Des ensembles moléculaires de la taille d'un brin d'ADN s'introduiront dans nos cellules malades afin de les réparer de l'intérieur. Tout cela en cachette de notre système immunitaire ».  Non, ce n’est pas de la science fiction mais bien des projets pour notre avenir qui nous transformera peut être en cyborg ????

Il y a encore les nanorobots, les nanomachines, les nanocequevousvoulez et je suis persuadé qu’ils ne vont pas tarder à remplir notre quotidien….