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Coup de Froid à la Cité des sciences et de l’industrie

par Véronique Giraud
Hors-Champs Croisement Publié le 06/12/2017
Quand l’hiver arrive, le froid alimente les conversations. Or ce froid, ressenti à l’échelle des 37° de la température interne de notre corps, n’est pas le « vrai » froid. Pour la science, le « vrai » froid débute aux environs de -200° jusqu’aux limites du zéro absolu. C’est ce que nous apprend, tout en jouant, la nouvelle exposition qui occupe la Cité des sciences et de l’Industrie du 5 décembre au 26 août 2018.

En ce mois de décembre, la Cité des sciences a choisi de nous faire mieux comprendre le froid, un concept que l’on croit connaître mais qui, en parcourant l’exposition qui lui est consacrée depuis le 5 décembre, s’avère très étonnant. La découverte s’adressant ici  au grand public, elle s’opère avec l’expérience et la manipulation. Pour y parvenir les équipes de muséographie s’entourent d’un comité scientifique. L’exposition Froid a requis treize chercheurs, qui travaillent dans des domaines très différents. Leur expertise a nourri les trois axes de l'exposition, conçus comme des défis : pour le vivant, pour la société, pour la science.

Les trois espaces s’articulent autour d’une sorte de colonne vertébrale blanche, dans laquelle est dessinée la chaîne des températures : de 37°, la température interne du corps humain, aux températures les plus chaudes d’un côté, de 37° à -273, 15°, la limite du froid. Un tel préambule concrétise l’idée de notre peu de connaissance du froid qui, pour la plupart d’entre nous, se limite à quelques repères, tels 0° pour la neige ou encore -18° pour le congélateur.

Le Défi pour le vivant débute avec une invitation à pénétrer dans une cabine où la température est de -5°. L'expérience permet de constater les réactions du corps humain lors de la baisse de la température extérieure. On peut écouter Jean-Louis Étienne raconter l’expérience de son expédition glaciaire, le confrontant à résister à -52°. On teste l’impact du vent avec des manchons de différentes matières, de la polaire au coton. On découvre l’action du froid sur les végétaux et sur les animaux, illustrée par les capacités de résistance de quatre d’entre eux : l’ours polaire, le manchot, la grenouille et le tardigrade. Est évoquée également la cryomédecine, qui étudie les possibilités de guérir grâce au froid. Enfin, une animation sur la cryogénie interroge avec humour l’idée de la conservation des humains par le froid.

L’espace société ramène à l’usage domestique et industriel du froid. Avec la physicienne Laurence Fournaison, chercheuse à IRSTEA et directrice d’un laboratoire dédié aux procédés frigorifiques, nous apprenons que « le réfrigérateur consomme 20% de l’électricité de la maison (hors chauffage et eau chaude sanitaire), et 80% des frigo ne sont pas à la bonne température ». Un réfrigérateur est d’ailleurs mis à la disposition de chaque visiteur qui peut s’essayer à le remplir différents aliments dans ses zones de froid. L’expérience montre que la plupart d’entre nous ne savent pas où ranger tous les produits. L’agro-alimentaire est le plus gros consommateur de froid. Ce secteur de l'industrie sollicite la recherche en permanence et certaines études montrent les effets de la congélation, la différence entre la congélation et la surgélation, portent sur la taille des cristaux dans un produit congelé pour obtenir une meilleure qualité de texture après décongélation.

Comme le montre cette partie de l’exposition, le froid est à la source de nombreux procédés : dans l’agro-alimentaire, du process en usine jusqu’au frigo du consommateur, mais aussi en médecine, où il est nécessaire au fonctionnement du scanner, et en métallurgie, pour refroidir les métaux et pour avoir de la précision. De façon générale, la température froide confère des propriétés mécaniques à des matériaux et en optimise la qualité.

Reste que la fabrication du froid est aussi un enjeu environnemental. « Dans les pays industrialisés, 17 % de la consommation électrique est dédiée au froid, explique la chercheuse. 17 % c’est très important, il y a des marges de manœuvre permettant d’améliorer l’efficacité énergétique des machines frigorifiques ». Les machines du futur expérimentent d’ores et déjà des usages magnétiques, l’utilisation de réactions chimiques est une autre piste qui pourrait, à terme, amener une source.

 

Un labo du froid. L'espace science de l'exposition est conçu comme un laboratoire. Là, la star, c’est le cryostat à dilution. C’est lui qui fabrique les températures proches du zéro absolu. « Ce qui nous intéresse, explique le physicien Julien Bobroff, ce sont toutes les matières qui, très près du zéro absolu, vont soudain se comporter de façon inattendue. Nous travaillons sur des températures entre -200° et -277,5°. Pour nous, 200° c’est assez chaud. » Tout cela n’a rien d’évident. A priori, une fois qu’on gèle la matière, ça ne devrait pas être très intéressant. Par exemple, quand l’eau est à -200° ou à -270°, elle reste un glaçon, rien ne bouge. Mais si on refroidit un métal, l’aluminium par exemple, que se passe-t-il ? « Avec le chaud, les atomes bougent beaucoup. Le froid, c’est juste que les atomes bougent moins. Si je refroidis une table très près du zéro absolu, les atomes ne bougent quasiment plus. À ce moment, où on attend le moins de choses, où tout va se calmer, apparaissent des phénomènes tout à fait inattendus, comme la supra conductivité. En refroidissant par exemple un bout d’aluminium à 2, 3° du zéro absolu, quand tout devrait se geler, il se met soudain à conduire le courant de façon parfaite, il n’a plus aucune résistance. À la même température, si vous prenez un aimant, il se met à léviter. En refroidissant à 2° du zéro absolu l’hélium, un liquide qui ne gèle pas, il se met à devenir supra fluide. C’est-à-dire que si vous le mettez dans une tasse, il passe par le fond de la paroi, entre les atomes. Et si vous essayez de bloquer le fond de la tasse, il remonte spontanément des parois. Toutes ces découvertes, très inattendues pour les physiciens du XXe siècle, ont un point commun : alors que les physiciens s’étaient dit qu’en refroidissant près du zéro absolu, les atomes ne bougeraient plus, que tout s’arrêterait. C’est vrai qu’ils ne bougent plus, mais c’est à ce moment-là, à très basse température, que l’onde de l’atome se révèle. Soudain on révèle la nature quantique de la matière, et tout ce qu’il y a de quantique dans la matière explose : la supraconductivité, la suprafluidité, le condensat de Bose-Einstein, l’ordinateur quantique, etc. apparaissent dès que la matière est calmée. A l’inverse, la chaleur, qui fait que les atomes bougent beaucoup, tue ces effets. Paradoxalement, il s’est avéré que la physique des basses températures a été un outil très riche pour révéler la physique quantique." À basse température, des propriétés complètement inattendues apparaissent.

"Les applications au quotidien se font encore dans des niches industrielles : les IRM des hôpitaux, dont les tuyaux contiennent de l’hélium suprafluide et des superconducteurs, à 2° du zéro absolu. Le monde de la nanophysique et des nanotechnologies travaille à basse température. Les ordinateurs quantiques du futur fonctionneront à basse température. En électronique, de nombreux composants et systèmes ne fonctionnent qu’à basse température, pour une meilleure conductivité. Des trains au Japon fonctionnent, grâce au froid, en lévitation. Ce sont les trains les plus rapides au monde, allant jusqu’à 600 km/h". Des innovations qui témoignent que de nombreuses applications ne sont pas encore dans la maison mais déjà dans les industries.

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