L'hydrogène
Publié le 30 septembre 2024

Omniprésent dans la nature, stockable, utilisable de multiples manières, non-émetteur de gaz à effet de serre… L’hydrogène ne manque pas d’atouts et pourrait à l’avenir jouer un rôle majeur dans la transition énergétique en contribuant à décarboner de nombreux secteurs : industrie, transport, énergie, chaleur… sous réserve que sa production soit elle aussi décarbonée.

L’HYDROGÈNE,
UN VECTEUR ÉNERGÉTIQUE

L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple : son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron. La molécule de dihydrogène (H2) est constituée de deux atomes d’hydrogène. On parle communément d’hydrogène pour désigner le dihydrogène.

L’élément hydrogène est très abondant à la surface de la Terre. Il est cependant lié à d’autres éléments chimiques, dans des molécules comme l’eau, les hydrocarbures. Les organismes vivants (animal ou végétal) sont également composés d’hydrogène. En plus de l’eau et des hydrocarbures, la biomasse constitue donc aussi une source potentielle d’hydrogène.

Le dihydrogène est un vecteur d’énergie, c’est-à-dire une forme transformée ou extraite d’énergie primaire. Comme pour l’électricité par exemple, en ce sens qu’il faut d’abord le produire à partir d’une autre source d’énergie (comme les hydrocarbures, ou l’eau grâce à l’électricité). Cette forme d’énergie peut en outre être stockée et transportée.

Récemment, d’importants gisements de dihydrogène naturel ont été découverts dans le sous-sol terrestre ou marin, et des permis d’exploration ont été accordés pour en évaluer le potentiel. Dès lors que son exploitation sera rendue possible, cet hydrogène pourra aussi être considéré comme une source d’énergie primaire, et non plus seulement comme un vecteur. Son caractère renouvelable restera à évaluer, en fonction de sa vitesse de génération naturelle.

L’hydrogène pourrait être massivement disponible, à condition de le produire en quantité suffisante, à un coût compétitif et à partir d’énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables) afin de tenir les engagements de neutralité carbone en 2050.

PRODUCTION DE L’HYDROGÈNE
Produire l’hydrogène à partir d’hydrocarbures
Plus de 95 % du dihydrogène mondial est produit à partir d’énergies fossiles par vaporeformage du méthane, oxydation partielle d’hydrocarbures ou gazéification du charbon. Ces procédés, aujourd’hui les plus compétitifs, consistent à casser les molécules d’hydrocarbures sous l’action de la chaleur pour en libérer du dihydrogène. Ils sont cependant fortement émetteurs de CO2, à hauteur de 11 à 19 kg de CO2 par kg de H2 produit.
Produire l’hydrogène à partir d’eau
L’enjeu aujourd’hui est de produire un hydrogène dit « bas carbone », c’est-à-dire dont la production est non ou faiblement émettrice de CO2, et à un coût compétitif, de sorte de contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique.
L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène (O2) et dihydrogène (H2) grâce à l’action d’un courant électrique. Cette voie, alimentée par une électricité d’origine nucléaire ou renouvelable, semble être aujourd’hui la plus prometteuse pour produire massivement cet hydrogène bas carbone. Elle est en forte croissance dans le monde. L’Agence internationale de l’énergie envisage une voie complémentaire, associant l’utilisation de procédés conventionnels – à partir d’énergies fossiles – à la capture et au stockage du CO2 émis.
* Trois voies principales sont utilisées (par ordre de maturité décroissante) :            électrolyse alcaline,
*         électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM)
        électrolyse à haute température (EHT).    Ces trois technologies présentent des avantages et inconvénients qui les rendent plus ou moins adaptées aux différents cas d’usages.
La plus ancienne et la plus utilisée est l’électrolyse alcaline, avec environ 60 % du marché mondial. La PEM, représente quant à elle environ 40 % du marché (chiffres de 2023).
Comparée à l’alcaline, la PEM est plus performante – elle produit plus d’hydrogène par unité de surface –, est plus compacte, et se prête davantage à un fonctionnement flexible, bien adapté à l’intermittence des énergies renouvelables. Son point faible réside dans la quantité de métaux nobles nécessaire pour ses catalyseurs (platine et iridium) et de titane côté électrodes/assemblage, qui sont des matières premières onéreuses.

L’électrolyse à haute température (à oxydes solides) est la technologie la plus récente. Bien que très jeune – le tout premier système à avoir été mis en service au monde, c’était en 2014, et au CEA ! – l’EHT commence à être déployée à grande échelle. Cette technologie fonctionne avec de la vapeur d’eau portée entre 700 et 850 °C, contrairement aux deux autres procédés utilisant de l’eau liquide entre 40 et 80 °C. Cette température plus élevée permet d’obtenir des rendements jusqu’à 30 % supérieurs aux électrolyses alcaline et PEM, notamment grâce au possible couplage à de la chaleur fatale générée dans l’industrie lourde comme les aciéries, les cimenteries ou les verreries. Autre avantage, elle fonctionne sans métaux nobles ni titane. La contrepartie associée à la haute température réside dans la dégradation accélérée des matériaux et des temps de démarrage à froid plus longs.

Vu l’ampleur des besoins à venir – 20 millions de tonnes par an d’hydrogène bas carbone pour l’Europe en 2030, 64 millions au niveau mondial – ces trois voies d’électrolyse, complémentaires, seront mises à contribution. Mais les procédés à base de ressources fossiles cohabiteront encore un temps pour fournir les 150 millions de tonnes estimées par l’Agence internationale de l’énergie pour 2030, avec à cette échéance un ratio de 57 % de production fossile, 13 % avec capture de CO2 et 30 % d’électrolyse, cette dernière part augmentant progressivement pour atteindre 72 % en 2050 (estimations de 2023).

D’autres technologies, plus disruptives, font l’objet de recherches, comme l’électrolyse AEM, pour anion exchange membrane. L’AEM combine le meilleur des électrolyses PEM et alcaline, à savoir des densités de courant plutôt élevées, des contraintes allégées sur les matériaux (membrane non fluorée, quantité minime de métaux nobles, voire leur suppression totale à un horizon de quelques années).
Sur toutes ces technologies, la recherche continue pour accroître la compétitivité des électrolyseurs face aux procédés fossiles en progressant en performance, durabilité et coûts.

Produire l’hydrogène à partir de la biomasse
La biomasse (bois, paille, etc.) pourrait constituer une source potentielle importante d’hydrogène. Sa gazéification à la vapeur d’eau génère un mélange appelé « gaz de synthèse », principalement constitué de monoxyde de carbone et de dihydrogène, que l’on purifie ensuite pour éliminer les polluants.
Le procédé de pyrolyse de la biomasse est également envisagé, produisant de l’hydrogène, du biométhane, des composants liquides (huiles et hydrocarbures de synthèse) et du carbone solide. Ce procédé consiste en un traitement thermique à haute température (entre 250 et 1 500°C) de matières relativement sèches, en absence ou défaut d'oxygène.
Notons toutefois que d’autres usages de la biomasse peuvent s’avérer plus pertinents que sa transformation en hydrogène : fabrication de biocarburants ou de biométhane notamment, en remplacement ou en complément du méthane fossile dans les canalisations de gaz de ville par exemple. Cette fabrication de biométhane est obtenue par le procédé de méthanisation, qui consiste à chauffer les matières organiques dans un milieu pauvre en oxygène, ce qui favorise leur dégradation par les bactéries et induit la production de méthane.
Des études plus prospectives visent à produire de l’hydrogène par des microalgues ou des bactéries qui utilisent l’énergie de la lumière et des enzymes spécifiques : les hydrogénases. L’idée consiste à mimer chimiquement ces réactions, pour développer des réacteurs bio-inspirés de production d’hydrogène. Ces procédés sont encore en phase de recherche amont.


Exploiter l'hydrogène naturel
Une autre approche vise à exploiter des sources d’hydrogène naturel, dont on a pendant longtemps cru qu’elles n’existaient pas. Des gisements ont en effet récemment été découverts, y compris en France, comme en Lorraine en 2022 à un peu plus de 1 000 m de profondeur, avec un potentiel qui pourrait être extrêmement important selon certains experts. D’autres sources ont été identifiées à plusieurs endroits dans le monde, notamment en Afrique (près de Bourakébougou au Mali) où un gisement est exploité par la société Hydroma (pour le moment avec un débit très faible) et aux Etats-Unis, où des forages ont été ouverts à des fins de recherche.
La France a également engagé des financements dans le cadre de France 2030 pour cartographier ses gisements et avancer sur les techniques extractives les plus respectueuses de l'environnement qui permettront d’exploiter cet hydrogène. Un premier permis d’exploration a ainsi été délivré dans les Pyrénées-Atlantiques en novembre 2023. D’autres sont en cours d’instruction.
Cette filière est encore très immature. A ce jour, les connaissances sur cet hydrogène naturel restent embryonnaires, et les questions liées à sa captation, à sa purification (ces sources contiennent d’autres composants, voire des polluants en grand nombre) et au modèle économique associé ne sont pas résolues. A elle seule, elle ne permettrait pas d’atteindre à court terme les gigantesques volumes d’hydrogène nécessaires pour remplir les objectifs de décarbonation.

STOCKAGE ET TRANSPORT DE L’HYDROGÈNE
L’hydrogène ne peut jouer son rôle de vecteur d’énergie que si l’on peut le stocker efficacement, à moindre coût et dans des conditions de sécurité acceptables.
A température ambiante et pression atmosphérique, l’hydrogène se présente sous forme de gaz peu dense et très volatile, en raison de la petite taille de sa molécule. L’enjeu est de créer des réservoirs compacts et à bas coût.

Différents modes de stockage sont étudiés.
Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réduire le volume de stockage (par exemple, pour des applications stationnaires), on peut l’envisager sous forme gazeuse à une pression relativement basse (30-50 bars). Ce moyen de stockage, peu coûteux, est parfaitement maîtrisé.

Le stockage sous forme liquide à basse pression est actuellement principalement réservé à certaines applications de très hautes technologies comme la propulsion spatiale. Il permet de stocker de grandes quantités d’hydrogène dans un volume restreint. Les réservoirs actuels conditionnent l’hydrogène à – 253 °C sous 10 bars. Mais il est impossible d’éviter les fuites : même très bien isolés, les réservoirs absorbent de la chaleur qui vaporise lentement le liquide. Ce phénomène est connu sous le nom de « boil-off », engendrant une surpression qui doit être évacuée.

Afin d’atteindre une compacité accrue, notamment pour les usages mobilité, tout en évitant les inconvénients liés aux très basses températures du stockage à l’état liquide, le stockage à l’état gazeux sous haute pression (350 ou 700 bars) est privilégié. Il s’agit de concilier imperméabilité, résistance aux hautes pressions et résistance aux chocs en travaillant sur une architecture et des matériaux adaptés au réservoir. La recherche de matériaux alternatifs est également de mise pour baisser l’impact carbone de ces réservoirs (en fibres de carbone difficilement recyclables) et leurs coûts de fabrication.

Une autre voie de recherche porte sur le stockage solide, avec l’utilisation de matériaux appelés hydrures qui ont la capacité d’absorber et désorber l'hydrogène de manière réversible, sous condition de température. Le stockage dans les hydrures est le moyen le plus efficace pour obtenir une forte densité volumique d'énergie. Mais cela se fait au détriment du poids, puisqu’il faut ajouter au bilan le poids du matériau dans lequel l'hydrogène s'insère.
Enfin, une dernière voie de stockage est possible, sous forme chimique. Il s’agit d’utiliser des substances liquides qui contiennent dans leur structure chimique un nombre important d’atomes d’hydrogène récupérables par une réaction chimique. L’ammoniac est une solution particulièrement envisagée pour le transport longue distance d’hydrogène par voie maritime. Mais on peut aussi mentionner les LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), comme par exemple le methanol, le DME (dimethyl ether) ou le toluène. Des recherches existent autour d’autres substances chimiques non toxiques. Dans tous les cas, les réactions réversibles d’hydrogénation/déshydrogénation entraînent de nécessaires processus chimiques avec catalyseurs assortis d’échanges thermiques importants.
Selon l’utilisation visée de l’hydrogène, les critères de coût, performance, compacité ou poids de ces différentes technologies sont arbitrés.
Le transport de l’hydrogène sur de longues distances, via des pipelines, est une solution fortement envisagée au niveau européen. L’hydrogène ayant cependant un effet fragilisant sur les matériaux des pipelines et des organes présents sur le réseau (compresseurs, vannes…), la recherche continue pour comprendre ces mécanismes de fragilisation des aciers et trouver les meilleures parades, ou définir les modalités d’inspection les plus appropriées.

UTILISATION DE L’HYDROGÈNE
L’hydrogène est tout à la fois une matière première pour l’industrie lourde, un vecteur énergétique qui permet de produire de l’électricité via des piles à combustible, et aussi un élément qui permet de produire des carburants de synthèse et des molécules d’intérêt, notamment pour la chimie.
* L’hydrogène aujourd’hui utilisé est massivement issu d’énergies fossiles. L’hydrogène bas carbone répond en revanche aux défis de la transition énergétique. Ses usages, multiples, pourraient considérablement se développer dans les années à venir :            Industrie lourde             L’hydrogène est couramment utilisé dans l’industrie pétrolière et chimique comme matière première (production d’ammoniac notamment pour la fabrication d’engrais ; production de méthanol…) et pour désulfurer les carburants pétroliers. Ces usages consomment autour de 90 % de la production mondiale d’hydrogène, quasi-exclusivement produit à partir d’énergies fossiles. Ce secteur, qui devra se conformer à la législation en matière de baisse des émissions de CO2, pourrait à l’avenir intégrer de l’hydrogène bas carbone dans ses procédés, sous réserve de réaliser des investissements conséquents dans ses infrastructures..            La sidérurgie (production d’acier) envisage d’utiliser massivement de l’hydrogène pour sa décarbonation, en remplacement du coke issu du charbon, pour la réduction du minerai de fer.
*         L’industrie (ciment, verre, métallurgie) pourrait également utiliser l’hydrogène en remplacement du gaz naturel, pour alimenter les brûleurs des procédés industriels, lorsque l’électrification directe n’est techniquement pas possible ou trop coûteuse.                Solution de stockage d’énergie et de flexibilité du mix électrique.             Produit durant les périodes où le kWh est peu cher et où les capacités de production d’électricité bas carbone (énergies renouvelables, nucléaire) sont largement disponibles, puis stocké, l’hydrogène pourrait être utilisé comme un outil de flexibilité du mix électrique. En France métropolitaine, la nécessité de stockage des énergies intermittentes est à court terme limitée, du fait de capacités de production pilotables suffisantes. Cette solution peut être envisagée dans les régions isolées comme les îles, en remplacement de centrales au charbon ou au fioul.                Propulsion des véhicules lourds (transports routiers, ferroviaires, maritimes, aériens), difficilement électrifiables directement (batteries trop lourdes et encombrantes, temps de recharge trop longs, manque d’autonomie), grâce à une électricité fournie par des piles à combustible.
        Pour les voitures individuelles, bien que la technologie des piles à combustible soit mature, le marché est pour le moment quasiment fermé à l’hydrogène car dominé par les batteries. Seuls les usages intensifs (taxis par exemple) pourraient justifier l’usage de l’hydrogène.             L’emploi direct d'hydrogène comme carburant dans des moteurs thermiques, qui n’émet pas de CO2, est aussi envisagé, mais le procédé souffre d’un plus faible rendement énergétique et génère des émissions nocives (NOx).     La pile à combustible
Le principe de la pile à combustible est l'inverse de celui d'un électrolyseur. La réaction électrochimique entre l’hydrogène et l’oxygène de l’air produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur, sans émettre de CO2. Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte. Celui-ci définit la température de fonctionnement et donc les applications. La R&D porte actuellement sur les améliorations techniques (compacité, rendement énergétique, durabilité, fonctionnement sur de nombreux cycles…) ainsi que sur la baisse des coûts de production.
*             Production de carburants de synthèse et de molécules d’intérêt pour la chimie et l’énergie.             L’hydrogène peut être combiné à du CO2 (capté dans l’air, dans les fumées industrielles, issu de la transformation de biomasse, de déchets organiques, etc.) dans une logique d’économie circulaire du carbone, pour reconstituer des chaînes carbonées. Des verrous scientifiques et techniques, ainsi que des questions de rendement et de rentabilité économique restent cependant à lever.
*         o    Composés de base : e-monoxyde de carbone, e-éthylène, e-naphtas (les naphtas, mélanges d’hydrocarbures actuellement issus de la distillation du pétrole, sont les matières premières des plastiques) ;
*         o    e-méthane, à la place du méthane fossile, ré-injectable dans les réseaux de gaz naturel, et pour les secteurs dépendants de ce gaz ;
        o    e-carburants : e-méthanol, e-méthane, e-kérosène, e-diesel. Ces carburants de synthèse, et notamment le e-kérosène, pourraient à moyen terme être utilisés dans le secteur aérien du fait de la réglementation européenne. Celle-ci lui impose dès 2035 d’utiliser 20 % de carburants durables (dont au moins 5 % d’e-kérosène), et 70 % en 2050, dont au moins 35 % d’e-kérosène. L’e-ammoniac (e-NH3) est aussi considéré comme un possible carburant, notamment pour le transport maritime.                Les e-composés
Les e-composés (ou composés de synthèse ou électro-composés) sont produits à partir d’électricité bas-carbone, de dioxyde de carbone (ou d’azote dans le cas de l’e-ammoniac), et d’hydrogène issu d’électrolyse.

* VOIR AUSSI            Le livret pédagogique

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Le CERN et le boson de Higgs
Qu'est-ce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ?

Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (ou mécanisme BEH) décrit la façon dont les particules fondamentales acquièrent leur masse. Selon cette théorie, développée de façon indépendante en 1964 par Robert Brout et François Englert, en Belgique, et par Peter Higgs, au Royaume-Uni, les particules fondamentales acquièrent une masse en interagissant avec un « champ » présent dans tout l’Univers. Plus ces particules interagissent fortement avec le champ, plus elles sont massives.
Par contre, les particules qui n’interagissent pas avec ce champ n’ont pas de masse ; c’est le cas, par exemple, du photon. Ce mécanisme est à la base du Modèle standard, théorie qui décrit les particules élémentaires et les forces qui agissent sur elles. Ultérieurement, la même année, Gerald Guralnik et Carl Hagen (États-Unis), avec leur collègue Tom Kibble (Royaume-Uni), ont contribué au développement de cette nouvelle idée.
 
Qu’est-ce que le boson de Higgs ?
Le boson de Higgs est la particule quantique associée au champ de Higgs. Dans la mesure où le champ ne peut pas être observé directement, des expériences ont recherché la particule dont la découverte prouverait l’existence du champ et confirmerait la théorie. Le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé l’observation d'une particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu. Les analyses réalisées depuis lors par les deux collaborations ont confirmé que la particule découverte a les caractéristiques du boson décrit par la théorie.
 
Pourquoi est-ce si important ?
Au début des années 1970, les physiciens ont compris qu'il y avait des liens très étroits entre deux des quatre forces fondamentales, la force faible et la force électromagnétique. Ces deux forces peuvent être décrites dans le cadre d’une théorie unifiée, qui constitue la base du Modèle standard. Les équations fondamentales de la théorie unifiée décrivent de façon correcte les deux forces sous la forme d’une force électrofaible et de ses particules porteuses de force associées, à savoir le photon et les bosons W et Z. Sauf que toutes ces particules se retrouvent sans masse. Or si le photon a effectivement une masse nulle, nous savons que les particules W et Z ont une masse importante, équivalente à près de 100 fois celle d'un proton. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs résout ce problème en donnant une masse aux bosons W et Z. Il attribue également, dans le cadre du Modèle standard, une masse aux autres particules fondamentales comme les électrons et les quarks.
 
Le mécanisme de Higgs est-il responsable de la masse telle que nous la connaissons tous ?
Le champ de Higgs ne donne leur masse qu'aux particules élémentaires telles que les électrons et les quarks. Les quarks forment les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau atomique. La plus grande part de la masse de la matière qui nous entoure (et qui nous compose) vient de ces protons et neutrons composites. Les quarks qu'ils contiennent ne représentent qu'une partie minuscule de leur masse, qui provient essentiellement de la force nucléaire forte qui lie les quarks entre eux. Cependant, sans le champ de Higgs, l’Univers ne serait pas tel que nous le connaissons. Les particules élémentaires, telles que les électrons, se déplaceraient à la vitesse de la lumière, comme le font les photons. Ces particules ne pourraient pas s’organiser en structures plus complexes telles que les atomes et les molécules, et nous n’existerions pas.
 
Depuis combien de temps le CERN recherche-t-il le boson de Higgs ?
La recherche du boson de Higgs au CERN a réellement commencé à la fin des années 1980, au LEP (Grand collisionneur électron-positon), qui occupait le tunnel qui héberge actuellement le LHC (Grand collisionneur de hadrons). Au cours des années 1990, les expériences menées auprès du collisionneur Tevatron du Fermilab, aux États-Unis, avaient également pour but la recherche du boson de Higgs. La grande difficulté initialement était que la théorie ne prédisait pas la masse de la particule, qui pouvait donc se trouver en un point quelconque d’une vaste gamme de masses. Le LEP a été arrêté en 2000 pour céder la place au LHC et les expériences LHC ont repris cette recherche en 2010.
 
Est-ce la fin de la quête ?
La découverte du boson de Higgs ne met pas un terme aux recherches ; les physiciens doivent étudier cette particule en détail afin de pouvoir mesurer ses propriétés. En outre, de nombreuses questions sont restées sans réponse. Par exemple, quelle est la nature de la matière noire, qui forme une grande partie de l’Univers ? Ou bien, pourquoi y a-t-il bien plus de matière que d'antimatière dans l'Univers, alors que matière et antimatière ont été produites en quantité égale au début de l'Univers ? Et bien d’autres encore…
 
Y a-t-il déjà eu des prix Nobel attribués pour des travaux effectués au CERN ?
Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique en 1984 pour « leurs contributions décisives au grand projet qui a conduit à la découverte des particules de champ W et Z, véhicules de l'interaction faible ».
Georges Charpak a reçu le prix Nobel de physique en 1992 pour « l'invention et la mise au point de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifils ». Les détecteurs de particules élaborés par Charpak ont révolutionné la physique expérimentale des particules en augmentant considérablement le volume de données susceptibles d’être enregistrées par les détecteurs.

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Les lasers industriels


Simples, fiables, robustes et peu coûteux, les lasers sont des travailleurs de précision. On les retrouve dans de nombreuses applications industrielles : soudage, découpe, traitement de surface, santé...

Publié le 30 juin 2015

DES MICROLASERS

Lasers « puce », les micros
Les lasers « puces » (traduction du terme anglais microchip laser) sont des microlasers solides les plus simples et les plus compacts possible, avec une dimension typique de 0,5 mm3. Ils sont fabriqués en utilisant des procédés collectifs permettant de réaliser simultanément et sans aucun réglage plusieurs milliers de pièces. Ainsi, leur coût de fabrication peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement fiables, robustes et simples à utiliser, sans aucune nécessité de réglage ou de maintenance. Le laser « puce » est pompé par une simple diode laser et se comporte comme un transformateur de lumière laser. Il permet d’obtenir un faisceau laser naturellement circulaire et peu divergent, monofréquence et de forte puissance de crête impulsionnelle, le rendant très utile pour de nombreuses applications comme :
*         la télémétrie laser (mesure de distance et de vitesse sans contact) ;

*         le micromarquage et la microdécoupe sur tous types de matériaux ;

*         les oscillateurs avant les amplificateurs des lasers de très forte puissance ;

*         la fabrication de lasers visibles (verts) compacts ;
*         la détection de gaz polluants.

Plaque de lasers puces. © Artechnique/CEA

 

Salle de commande du robot de découpe laser de la plate-forme Héra. © S.Le Couster/CEA


 
Système de décapage des surfaces par laser, utile dans les domaines nucléaire et hors-nucléaire : micro-marquage, micro-usinage, décapage…
© P.Stroppa/CEA

DES LASERS POUR LE SOUDAGE ET LA DÉCOUPE
Ces lasers de forte puissance moyenne ont de multiples applications pour le travail des matériaux : trempe, soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm2. Les densités d’énergie étant très importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à souder. Les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 cm d’épaisseur.

Lasers CO2
Pour les lasers CO2, l’excitation moléculaire doit se faire avec de forts courants. L’émission résultante est très puissante. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz, excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant plus vrai que la puissance de sortie demandée est élevée (pour une application telle que l’usinage). Outre les travaux de soudage, ils sont utilisés pour décaper et découper des objets dans des environnements difficiles d’accès, sur des chantiers de démantèlement par exemple.
Caractéristiques d'un laser CO2
Mode de fonctionnement : continu
Puissance maximale en continu : de 500 W à 6kW selon machine et énergie
Amplificateur laser : mélange de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser CO2 de forte puissance : plusieurs tonnes
Transport du faisceau par miroir


Voir aussi

*         Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance
Lasers YAG dopés au néodyme
Le faisceau d’un laser YAG peut être transporté par fibre optique (fibre de silice d’1 mm de diamètre ou moins) sur des longueurs de plusieurs mètres, ou dizaines de mètres, et pour des puissances moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.

Caractéristiques d'un laser YAG
Mode de fonctionnement : continu ou impulsionnel
Durée de l'impulsion : 1 à 20 millisecondes
Fréquence de répétition : 1 à 1 000 Hz, selon la machine et l'énergie
Energie maximale par impulsion : 150 joules
Puissance moyenne maximale : 70 watts à 1,5 kilowatt selon machine
Puissance de crête maximale : 30 kilowatts
Amplificateur laser : grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser de puissance : plusieurs centaines de kilos


Guidage avec une fibre laser sur un fantôme en silicone et modélisation 3D de prostate, dans le cadre de recherches sur le diagnostic et traitement de cancer par laser. © P.Latron/Inserm-U703

Lasers à fibre
Apparus plus tardivement et actuellement en très forte croissance, les lasers à fibre apportent de nouveaux avantages en termes de fiabilité, compacité, facilité d’utilisation et consommation électrique. Ils offrent un rendement énergétique 10 fois supérieur aux lasers classiques, CO2 ou YAG, et la puissance qu’ils délivrent, leurs qualités spectrales et spatiales en font d’excellents candidats pour les applications dans les secteurs industriels, médicaux, des communications et scientifiques.

Caractéristiques d'un laser à fibre
Mode de fonctionnement : continu (ou impulsionnel)
Puissance moyenne maximale : 10kW
Amplificateur laser : fibre optique dopée
Faisceau infrarouge 1,07 mm
Poids d'un laser à fibre de puissance : plusieurs centaines de kilos



DES LASERS POUR LE TRAITEMENT DE SURFACE
Les lasers industriels impulsionnels peuvent aussi être utilisés pour modifier les propriétés de surface d’un matériau, par exemple pour en améliorer la résistance à la corrosion ou au frottement, sans pour autant en altérer les propriétés mécaniques massives. Ils se rencontrent en particulier dans l’industrie automobile, et leur domaine d’utilisation tend à s’étendre.
Ces lasers, grâce à leur durée d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision pour une large gamme de matériaux, avec peu d’échauffement. Comparé à des méthodes classiques telles que la photolithographie, ils permettent de réduire le nombre d’étapes de fabrication, et leur facilité à modifier la géométrie des dispositifs à graver en font des atouts incontournables pour les laboratoires de microélectronique. Une autre application consiste à réaliser le décapage de surfaces par balayage d’un faisceau laser intense qui conduit à une ablation superficielle.



Ce procédé peut être utilisé pour le nettoyage de monuments, ou à plus petite échelle pour le décapage de pièces mécaniques de précision. Un dispositif original, nommé Aspilaser, est utilisé pour décaper automatiquement des murs, sans émettre ni poussière, ni odeur. Les surfaces sont abrasées sur une épaisseur de 0,1 mm seulement, limitant ainsi le volume des déchets. Jusqu’à présent considéré comme le domaine de prédilection des lasers Nd-YAG en impulsions, le marché du microusinage de précision s’ouvre dorénavant aux lasers à fibres impulsionnels.

Caractéristiques des lasers industriels impulsionnels
Mode de fonctionnement    impulsionnel
Durée de l'impulsion    quelques dizaines de nanosecondes
Fréquence de répétition    100 000 hertz (impulsions par seconde)
Energie laser par impulsion    1 millijoule
Puissance moyenne    50 W
Puissance de crête     10 kilowatts
Amplificateur laser    fibre optique dopée

DES APPLICATIONS INNOVANTES

L’analyse LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy)
Cette analyse spectroscopique sur plasma induit par un laser permet de caractériser la composition chimique de la surface des matériaux (solides, liquides, gaz ou aérosols). Cette technique consiste à envoyer un faisceau laser sur le matériau pour créer un plasma, analyser sa signature spectrale et déterminer en temps réel la nature et la concentration des éléments présents. Les microsondes développées au CEA sont capables de réaliser une cartographie au micron près. Le champ d’applications est très large : du vieillissement des matériaux à l’exploration martienne. Le CEA a en effet adapté cette technologie pour la mission Mars science laboratory de la Nasa, en participant à la conception et au dimensionnement de l’instrument ChemCam, qui analyse depuis août 2012 le sol martien, dans un rayon de 7 mètres autour du robot Curiosity.

La technique Lidar (Light detection and ranging)
Cette technique s’appuie sur le principe des radars (dont l’acronyme « radio detection and ranging » signifie détection et positionnement par ondes radio). Elle permet de contrôler à distance la pollution de l’atmosphère par des particules. L’émission d’un faisceau laser vers la zone à étudier, puis l’analyse de sa rétrodiffusion déterminent la densité, la localisation, la nature et la géométrie des particules. La longueur d’onde utilisée (355 nm) est adaptée pour repérer les particules inférieures au micromètre, qui composent 99 % des aérosols de pollution. Cette technique a servi à l’étude de l’impact de la circulation automobile et à la surveillance de l’atmosphère dans des endroits confinés comme des gares ou le métro.

Impulsions femtosecondes pour la détection
Détecter à distance des explosifs ou autres produits dangereux, analyser rapidement des substances illicites ; c’est chose possible grâce aux lasers femtosecondes. Tout matériau, tout être humain, possède une signature térahertz qui lui est propre. D’où l’idée d’utiliser cette gamme pour identifier des substances explosives, ou distinguer de la cocaïne d’autres poudres… Pour générer de telles sources, dont la fréquence est comprise entre 1 et 100 THz, il faut combiner deux impulsions lasers de fréquences différentes. Pour l’instant étudiées en laboratoire, ces sources laser devront devenir plus compactes et plus intenses pour une utilisation grand-public. Une seconde technique s’apparente à la Libs (présentée ci-dessus). Grâce à des impulsions de moins de 100 femtosecondes et d’une puissance supérieure au térawatt, les mesures sont possibles à des distances de plusieurs centaines de mètres.

Des lasers pour la santé
En chirurgie, les lasers utilisés sont assez puissants. Ils peuvent brûler une partie endommagée à l’intérieur du corps de façon non-traumatique, être utilisés comme un bistouri, soigner des caries dentaires et des décollements de rétine. Les caractéristiques exceptionnelles d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont utilisées en chirurgie de la cornée, afin de traiter les myopies : par exemple, pour corriger d’une dioptrie, 1 μm (10-6 m) de la surface de la cornée est retirée. En médecine, les lasers sont utilisés en imagerie, radiothérapie et protonthérapie. La protonthérapie consiste à détruire une tumeur cancéreuse avec un faisceau de protons, de façon précise ; seule une zone très localisée est traitée, sans endommager les tissus alentour. Le projet Saphir, auquel participe le CEA, étudie la possibilité de générer par accélération laser des faisceaux de protons d’énergie suffisante pour le traitement de certaines pathologies.

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Réutiliser ou recycler : choisir avec l'analyse du cycle de vie

Réutiliser ou recycler ? Pour le déterminer, l’analyse du cycle de vie pointe tous les aspects de production, fabrication et usages d’un produit. Ces analyses technico-économiques très complexes permettent de choisir la meilleure solution pour l’environnement. Explications par Elise Monnier, ingénieure au CEA-Liten.

PUBLIÉ LE 31 AOÛT 2021
       
Depuis quand le CEA se consacre-t-il à l’analyse du cycle de vie et en quoi cela consiste-il ?
Le CEA-Liten s’est spécialisé à l’analyse du cycle de vie (ACV) depuis 2009. Nous le faisons à la demande des industriels dans le cadre de nos collaborations ou pour accompagner nos propres développements technologiques. L’ACV est une méthode normalisée pour quantifier les impacts environnementaux d’un système, qu’il s’agisse d’un produit, d’une technologie, d’un scénario économique... L’ACV doit prendre en compte plusieurs critères. En cela, elle se distingue par exemple d’un bilan carbone qui ne considère que les gaz à effet de serre. Elle consiste à couvrir idéalement l’ensemble d’une chaîne de valeur : acquisition des matières, fabrication, usage et recyclage. Elle peut considérer jusqu’à 16 indicateurs d’impact recommandés par l’Europe : biodiversité, acidification des eaux, changement climatique, utilisation des ressources, etc. Certaines ACV sont simples, celle d’un stylo nécessitera seulement une journée. D’autres se révèlent plus complexes, comme celle d’une technologie en développement, et pourront prendre six mois.

Quelle est son utilité ?
Un des buts est d’éviter les transferts d’impact : sans cette analyse globale, on peut améliorer une étape en en dégradant une autre, ou faire progresser un critère au détriment d’un autre. On le voit si l’on compare le véhicule thermique et le véhicule électrique. Le premier émet plus de CO2 à l’usage, mais le second consomme davantage de ressources minérales, notamment des matériaux critiques. L’ACV permet de quantifier cela. Elle peut être réalisée avant le développement d’un procédé ou d’un produit, ou bien après. On réalise aussi des ACV au fur et à mesure qu’une technologie se développe, en soutien de décisions et de stratégies énergétiques.

Que disent les ACV sur l’économie circulaire ?
L’ACV a son intérêt sur les questions de recyclage : est-il plus vertueux de recycler un produit ou d’en produire un nouveau plus efficace ? Souvent, les choix pour la fin de vie d’un produit font varier de 10 % à 30 %, en positif ou négatif, les impacts environnementaux. L’ACV renseigne aussi sur la meilleure manière d’utiliser les produits. Par exemple, lorsqu’un produit est très polluant, il vaut mieux en acheter un neuf plus efficace que de prolonger sa durée de vie. Les ACV montrent aussi que la mutualisation des usages entraîne systématiquement de forts gains environnementaux : mieux vaut utiliser des voitures partagées ou en louer que de posséder sa propre voiture.

Et sur la récupération des matériaux critiques ?
Considérons le cas des aimants d’éoliennes. L’ACV peut aider à choisir entre plusieurs options : la réutilisation, le remanufacturing, ou le recyclage. Dans le premier cas, on réutilise l’objet presque tel quel, mais les performances ne sont pas toujours optimales. Le remanufacturing implique de démanteler, séparer, remettre à neuf. Enfin, le recyclage en boucle fermée nécessite de réintroduire les matériaux dans le processus de fabrication, pour couler de nouveaux aimants. Pour ces aimants, à l’échelle industrielle, le remanufacturing est la meilleure stratégie.

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