Paris, 5 mars 2012

Comment les supercondensateurs stockent-ils l'énergie ?
Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie électrique complémentaires aux batteries. Grâce à leur capacité à se charger et se décharger rapidement, ils peuvent fournir des pics de puissance intéressants dans de nombreuses applications dans l'aéronautique et l'automobile. Resté incompris jusqu'à présent, le mécanisme de stockage d'énergie des supercondensateurs a été élucidé à l'échelle moléculaire par l'équipe de Mathieu Salanne, chercheur au laboratoire Physicochimie des électrolytes, colloïdes et sciences analytiques (UPMC/CNRS/ESPCI), en collaboration avec le Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CNRS/université Paul Sabatier Toulouse III/INP Toulouse). Pour la première fois, une image quantitative de ce processus a été fournie grâce à des simulations numériques. Publiés en ligne le 4 mars dans la revue Nature Materials, ces travaux vont permettre d'envisager la conception de supercondensateurs aux capacités accrues.
Très performants en puissance, les supercondensateurs sont actuellement utilisés pour la récupération de l'énergie de freinage dans certaines voitures, ou encore pour assurer l'ouverture d'urgence de l'avion A380. Ils fonctionnent grâce à deux électrodes en carbone, l'une chargée positivement et l'autre négativement, plongées dans une solution ionique. C'est l'adsorption d'ions à la surface des électrodes qui permet de stocker l'électricité.

Pour comprendre le mécanisme au niveau moléculaire, les chercheurs ont procédé par simulation numérique. Deux types d'électrodes de géométries différentes ont été modélisés au plus proche de la réalité : des électrodes planes en graphite et d'autres en carbone nanoporeux, ces dernières étant capables de stocker davantage d'énergie. La taille et la complexité des systèmes simulés ont nécessité l'emploi de supercalculateurs. Ces simulations ont permis d'observer que, sur une surface plane comme le graphite, la solution ionique s'organise en couches. Lors de la charge du condensateur, ces couches se polarisent par un déplacement relatif des ions de charges opposées. À cause des interactions entre les ions, la polarisation des couches successives conduit à un phénomène de « sur-écrantage » qui réduit l'efficacité du stockage de charge. Dans les nanopores de carbone en revanche, le liquide ne peut s'organiser en couches, ce qui évite les effets de « sur-écrantage ». La charge stockée dans l'électrode est, dans ce cas, compensée par un échange d'ions avec la solution. La structure en 3D des nanopores permet donc une meilleure capacité de stockage d'énergie. La connaissance du mécanisme de charge au niveau moléculaire va permettre d'améliorer la conception des supercondensateurs.

Reste à optimiser la structure des électrodes en carbone nanoporeux, afin d'espérer fournir de plus grandes performances de stockage d'énergie. Ces résultats, obtenus dans le cadre du projet ANR MAICANANO (Modélisation de l'adsorption des ions dans les carbones nanoporeux), sont le fruit d'une collaboration entre les chercheurs du laboratoire Physicochimie des électrolytes, colloïdes et sciences analytiques et des équipes du Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CNRS/université Paul Sabatier Toulouse III/INP Toulouse), et des universités d'Oxford et Drexel à Philadelphie.

DOCUMENT              CNRS           LIEN

Paris, 31 MAI 2012

Prévoir des vagues exceptionnelles de chaleurs estivales en Europe
Prévoir un ou plusieurs mois à l'avance d'importantes vagues de chaleur estivales similaires à celles qui ont touché l'Europe durant les étés 2003 et 2010 demeure un défi pour les météorologues. Pour la première fois, une étude franco-suisse, impliquant des chercheurs du LSCE1 (CNRS/CEA/UVSQ2) et de l'École polytechnique fédérale de Zürich (ETH Zürich), avec la société ARIA Technologies, apporte des données déterminantes pour la prévision de tels événements climatiques, notamment en Europe. En effet, les chercheurs ont montré que ces fortes chaleurs se développent très rarement après des mois pluvieux, de janvier à mai, sur le sud de l'Europe. Par contre, un hiver et un printemps secs ne permettent pas de prévoir si l'été suivant sera ou non marqué par de fortes chaleurs. Et avec le phénomène de changement climatique global, la probable raréfaction des précipitations en Europe du Sud devrait fortement augmenter l'apparition de vagues de chaleur intenses, alors même que leur prévision en fonction des précipitations restera très difficile. Ces résultats viennent d'être publiés en ligne par la revue Nature Climate Change.
Durant la dernière décennie, l'Europe a été marquée par une série de vagues de chaleur estivales exceptionnelles, tels que les épisodes de canicule de 2003 en Europe et de 2010 en Russie. Lourds de conséquences pour nos sociétés, ces étés très chauds préfigurent probablement le climat estival à venir, sous l'effet du changement climatique. Mais la capacité à prévoir ces événements demeure actuellement très faible. Une étude effectuée par des chercheurs du LSCE (CNRS/CEA/UVSQ) et de l'École polytechnique fédérale de Zürich (ETH Zürich), avec la société ARIA Technologies, montre pour la première fois dans quelle mesure les précipitations durant le printemps et l'hiver permettraient de prévoir la fréquence de jours très chauds 3 durant l'été suivant, et les raisons physiques qui sont à l'origine d'une telle prévisibilité.

Grâce à l'analyse de plus de 60 ans de données de précipitations et de températures provenant de plus de 200 stations météorologiques réparties sur l'Europe, les chercheurs ont d'abord confirmé, à l'échelle de l'Europe entière, plusieurs données concernant des régions sud-est de l'Europe 4 : un hiver et un printemps pluvieux inhibent l'apparition de fortes chaleurs estivales, alors qu'une sécheresse ou des pluies limitées, mais restant dans la norme, favorisent leur apparition. Ce sont exclusivement les précipitations localisées dans le sud de l'Europe qui permettent la prévision de températures élevées sur la plus grande partie de l'Europe (ouest et centre). Les chercheurs ont également montré que la prévisibilité des fortes chaleurs dépend de la circulation atmosphérique (cyclonique et anticyclonique). En effet, associée à des conditions anticycloniques et après un épisode important de sécheresse, l'énergie solaire est restituée par la surface terrestre sous forme de chaleur sensible 5, amplifiant ainsi le phénomène de sécheresse. En revanche, après un ou plusieurs mois pluvieux, une part importante de cette énergie est utilisée pour l'évaporation de l'humidité des sols et la transpiration des plantes, ce qui limite fortement l'augmentation des températures. Même après un printemps très sec, de fortes précipitations en début d'été peuvent, comme cela fut probablement le cas en juin 2011, rapidement empêcher l'apparition de températures élevées et donc d'épisodes de chaleurs intenses. Les fortes chaleurs se développent donc très rarement après des mois pluvieux, de janvier à mai, sur le sud de l'Europe. Par contre, un hiver et un printemps secs ne permettent pas de prévoir si l'été suivant sera ou non marqué par de fortes chaleurs.

Paris, 29 mars 2012

Générer pour la première fois un rayonnement ultra-bref de manière contrôlée à l'aide d'un plasma

Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d'émettre des impulsions dans le domaine de l'attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s'efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée. Une équipe pilotée par le Laboratoire d'optique appliquée (LOA, CNRS / ENSTA-Paristech / Ecole Polytechnique), en collaboration avec le CEA-Saclay et le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS / CEA / Ecole Polytechnique / UPMC), a réussi, pour la première fois, à accélérer et guider de façon reproductible des électrons dans un plasma à l'aide d'un laser. Ces électrons excitent le plasma, qui émet alors des impulsions électromagnétiques ultra brèves à des longueurs d'onde dans le domaine de l'extrême ultraviolet. Ce rayonnement attoseconde énergétique pourra servir à sonder les processus électroniques ultra rapides. Ces travaux sont publiés dans Nature Physics.
Des événements, tels que l'ionisation d'un atome ou le passage d'un électron d'un état d'excitation à un autre, se déroulent sur des échelles de temps typiques de l'ordre de l'attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde). Pour les observer en direct, on doit pouvoir produire des impulsions lumineuses d'une durée comparable afin de « saisir » l'évolution du phénomène, à la manière d'un obturateur photographique. Jusqu'à présent, il n'existait qu'une manière d'obtenir des impulsions aussi brèves, en excitant par laser les électrons d'un gaz. Ces derniers émettent alors une impulsion dans le domaine de l'extrême ultraviolet (X-UV). Mais ce procédé a des limites et, pour observer certains phénomènes, les chercheurs auraient besoin de sources encore plus brèves et surtout plus énergétiques. Voilà pourquoi de nombreuses équipes se sont tournées vers la physique des plasmas, cet état de la matière extrêmement chaud et dense, constitué d'ions et d'électrons.
L'équipe menée par le LOA est la première à avoir obtenu des impulsions attoseconde dans l'X-UV de façon reproductible en contrôlant l'excitation d'un plasma par des électrons accélérés dans un champ laser. Pour y parvenir, les chercheurs ont d'abord dû développer une source laser très performante, permettant d'atteindre des éclairements mille à dix mille fois supérieurs à ceux utilisés dans les milieux gazeux, et délivrant un millier d'impulsions par seconde d'une durée de l'ordre de quelques femtosecondes chacune (10-15 seconde). De plus, cette source est stabilisée en phase : toutes les impulsions générées sont identiques les unes par rapport aux autres. Les chercheurs sont parvenus à focaliser toute la puissance lumineuse du laser sur une tache d'un peu plus d'un micron de diamètre à la surface d'une cible en silice. La matière de la cible est ainsi transformée en un plasma de densité comparable à celle d'un solide. Dans ce plasma, les électrons sont fortement accélérés par le champ électromagnétique produit par le faisceau laser. Lorsqu'ils traversent le plasma, ils excitent au sein de celui-ci des mouvements collectifs de charges produisant alors un rayonnement X-UV que les chercheurs ont pu observer et analyser à l'aide d'un spectromètre.

Ces travaux devraient déboucher sur une source de rayonnement énergétique dont pourront se servir physiciens et chimistes pour sonder les processus électroniques dans la matière avec une résolution temporelle dans le domaine attoseconde. Pour l'heure, les chercheurs prévoient d'améliorer encore leur source laser afin de produire un rayonnement encore plus bref et à plus courte longueur d'onde (dans le domaine des rayons X), en guidant de manière contrôlée le mouvement des électrons dans le plasma qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière.

DOCUMENT           CNRS           LIEN

Paris, 8 septembre 2011

Supraconductivité : le puzzle prend forme !
En affaiblissant la supraconductivité avec un fort champ magnétique, les électrons d'un supraconducteur dit « à haute température » s'alignent en filaments linéaires. C'est ce que viennent de montrer les chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS (1). Publiés dans Nature le 8 Septembre 2011, ces résultats apportent une nouvelle pièce au puzzle que les physiciens de la matière tentent d'assembler depuis près de vingt-cinq ans.
Découverte il y a cent ans, la supraconductivité(2) est un phénomène spectaculaire qui interroge toujours autant les chercheurs. Les supraconducteurs dits « à haute température » intéressent tout particulièrement les scientifiques, notamment la famille des cuprates, des oxydes de cuivre dont la température maximale de supraconduction est d'environ -140°C. Comment, dans ces cuprates, les électrons parviennent-ils à s'organiser en une même onde, permettant ainsi au matériau de devenir supraconducteur? C'est la question à laquelle les chercheurs tentent de répondre depuis vingt-cinq ans.

C'est dans ce contexte que l'équipe du Laboratoire national des champs magnétiques intenses, en collaboration avec des scientifiques de Vancouver, a soumis des échantillons d'un cuprate surnommé « YBaCuO »(3) à des champs magnétiques particulièrement intenses (des milliers de fois plus puissants que ceux des petits aimants sur les portes des réfrigérateurs ménagers). Grâce à la technique de résonance magnétique nucléaire(4), les chercheurs ont sondé ce supraconducteur à l'échelle de l'atome et ont découvert que les électrons, sous ces champs intenses, tendent à s'ordonner en filaments rectilignes ou « stripes ».

Un tel alignement des charges n'a été observé jusqu'à présent que dans les matériaux non ou faiblement supraconducteurs, jamais chez des matériaux où la supraconductivité est robuste. Cette découverte permet de comprendre pourquoi : il faut qu'un fort champ magnétique affaiblisse la supraconductivité pour observer l'effet. Les résultats suggèrent aussi que cette tendance à l'alignement pourrait être sous-jacente à tous les cuprates. Reste néanmoins à comprendre si cette nouvelle pièce du puzzle a un quelconque rapport avec le mécanisme de supraconductivité de ces matériaux.

DOCUMENT        CNRS            LIEN