Progrès en supraconductivité ouvrant la voie à une nouvelle révolution technologique

Limites de la supraconductivité

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

L’électricité a été l’une des technologies les plus transformatrices de l’histoire, permettant la transmission d’une forme d’énergie très utile sur de longues distances. Mais chaque système électrique fait face à une résistance électrique, ce qui entraîne la génération de chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué.

Une alternative existe, le soi‑disant matériau supraconducteur. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, ce qui permet d’utiliser des courants extrêmement puissants sans générer de chaleur ni de champs magnétiques intenses.

Sans supraconductivité, de nombreuses technologies modernes ne seraient pas possibles, notamment les accélérateurs de particules, l’IRM et les trains à sustentation magnétique.

Le problème est que toutes ces applications reposent sur la supraconductivité à basse température, où les matériaux ne sont supraconducteurs que lorsqu’ils sont refroidis à des températures très basses comme 20 K/-253 °C/-423 °F, y compris avec de l’hélium liquide.

Pour certaines applications, comme les aimants dans les réacteurs à fusion expérimentaux, la température requise peut être aussi basse que 4 K (seulement 4 degrés au-dessus du zéro absolu), bien que cela s’améliore (voir ci‑dessous).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

Supraconductivité à haute température

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, la température « haute » peut être aussi froide que -185 °C à -135 °C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

Supraconductivité à température ambiante

In the summer of 2023, a piece of un article de presse est devenu viral after the publication of a scientific article titled “Le premier supraconducteur à température ambiante et pression atmosphérique”. A material called LK-99 was described as working as a superconductor up to 127°C/260°F. That it used common materials like copper and lead (copper-substituted lead apatite – CSLA) only added to the potential of the discovery.

Cristaux de cuivre – Source: DOE

It even triggered a micro-bubble in equities related to superconductivity, for example, a +60% on American Superconductor stock prices.

L’affirmation a immédiatement été contestée et s’est avérée difficile à reproduire.

Histoire de la supraconductivité de LK-99

But this story is not over yet. In janvier 2024, deux autres équipes de recherche ont également observé le potentiel de LK-99 pour la supraconductivité.

Il est intéressant de noter que chaque équipe a recréé sa propre version de LK-99 à l’aide de différentes méthodes de fabrication, indiquant que les résultats observés sont probablement liés au matériau plutôt qu’à une éventuelle impureté ou erreur.

Il y a donc un certain espoir que ce ne soit pas une fausse alerte. Ce qui semble être le cas, c’est que le processus de fabrication est, pour l’instant, extrêmement inefficace, ce qui rend facile qu’un test revienne négatif.

So, it is perhaps no surprise that replicating the initial discovery of LK-99 has been anything but straightforward.

« … même les échantillons synthétisés selon le processus actuellement le mieux connu (celui qu’ils ont employé) ont tendance à contenir un pourcentage élevé de matière non supraconductrice mélangée aux parties prétendument supraconductrices. Dans ce scénario, il est facile de déclarer à tort les échantillons comme défaillants même après les avoir testés.

l’un des échantillons supraconducteurs sur lesquels ils ont basé leur article a été fabriqué en novembre 2023, a été jugé défectueux et était sur le point d’être jeté à plusieurs étapes de sa vie. »

Source: Tom’s Hardware

Potentiel de la supraconductivité

Even if room-temperature superconductors remain elusive, researchers may find a way to keep material superconductive at temperatures as “high” as -80°C to -70°C.

This would completely change the possible application, as superconductivity can then rely on cooling technology used in freezers storing mRNA vaccines instead of more expensive liquid helium or nitrogen.

Parmi les applications possibles déjà évoquées dans les années 1990 figurent :

• IRM améliorée, avec une résolution supérieure et moins chère à construire et à exploiter, ce qui permet qu’elle devienne un examen médical beaucoup plus courant.
• Systèmes de propulsion à poussée électromagnétique (également appelés magnétodynamique (MHD) drives) pour propulser les navires en électrifiant l’eau de mer.
• Plus puissants et plus efficaces moteurs électriques.
• Des batteries à densité plus élevée et plus sûres avec Stockage d’énergie magnétique supraconducteur (SMES).
• Limiteurs, interrupteurs et fusibles supraconducteurs pour améliorer l’infrastructure du réseau électrique.
• Transmission d’énergie à longue distance sans pertes, ce qui pourrait augmenter l’efficacité des énergies renouvelables, par exemple avec des panneaux solaires toujours exposés au soleil alimentant une ville à des milliers de kilomètres.
• Moins chers et plus faciles à entretenir trains à sustentation magnétique ou plus tard les systèmes Hyperloop.
• Capteurs/magnétomètres (Dispositifs d’Interférence Quantique Supraconducteurs – SQUIDS) pour des applications industrielles.
• Calcul quantique supraconducteur
  • (vous pouvez en savoir plus sur les progrès de l’informatique quantique dans notre article « L’état actuel de l’informatique quantique»).
• Applications de défense et aérospatiales, y compris les boucliers de radiation, les lancements électromagnétiques, les roulements magnétiques, les capteurs, les canons à rail, les canons à bobine, les lasers et d’autres armes à énergie.

Source: DOE

Supraconductivité et fusion nucléaire

Nuclear fusion is another application that would greatly benefit from superconductors working at higher temperatures.

All various methods of achieving commercial nuclear fusion rely on extremely powerful magnets to contain and compress the plasma heated at tens or hundreds of millions of degrees.

After an initial success in 2021, a research team at MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) worked on making a superconductive magnet powerful enough to be usable in nuclear fusion reactors.

The new fusion magnet design is superconductive at 16°K instead of the previous 4°K. One key innovation is the removal of all isolation around the magnet’s conductive wire. This, in turn, freed space for further improvements, like a simpler fabrication process or more structural strength.

Source: Phys.org

« Avant la démonstration du 5 septembre, les meilleurs aimants supraconducteurs disponibles étaient suffisamment puissants pour potentiellement atteindre l’énergie de fusion — mais uniquement à des tailles et des coûts qui ne pouvaient jamais être pratiques ou économiquement viables. Puis, lorsque les tests ont démontré la praticité d’un tel aimant puissant à une taille fortement réduite, « du jour au lendemain, cela a pratiquement changé le coût par watt d’un réacteur à fusion d’un facteur presque 40 en une journée ».

Dennis Whyte – Professeur en ingénierie chez Hitachi America

They published their discoveries in une compilation de 6 articles scientifiques publiés dans IEEE Transactions on Applied Superconductivity. They explained in detail how to build such 16°K fusion magnets, which generate a magnetic field as intense as 20 Teslas.

Tester la limite

Eager to prove the new fusion magnet design can perform safely, they also actively put it in difficult situations. The last test resulted in the magnet partially melting in one corner. And even most of the magnet elements survived (95%+), demonstrating the robustness of the design.

What was equally impressive is that the researchers’ model perfectly predicted the way the magnet failed.

The experience also tested the supply chain for such material, using 300 kilometers (186 miles) of high-temperature superconductor in collaboration with CFS (Commonwealth Fusion Systems, une société issue de MIT)

L’avenir de l’aimant supraconducteur pour la fusion

For a while longer, fusion reactors will rely on well-understood and tested superconductors using liquid helium to stay below 20°K.

However, it appears that higher-temperature superconductivity is not only possible but likely to be doable at much more manageable temperatures.

In the long term, such superconductive magnets could help improve fusion reactors’ performance, as well as bring down their price, allowing for commercial viability.

This would unlock an almost unlimited energy source for humankind, making our current issues regarding food production, desalination, climate change, space travel, etc., trivial.