Physique - Science étonnante

Physique 26 avril 2011

La photosynthèse artificielle : de l’énergie à partir de soleil et d’eau

Il y a quelques jours, Daniel Nocera et son équipe du MIT ont annoncé avoir mis au point la première « feuille artificielle » [1]. Il s’agirait d’un dispositif qui, une fois plongé dans l’eau, permet de produire de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil. L’hydrogène ainsi fabriqué serait alors facile à stocker ou à transporter.

Cette annonce ayant fait un peu de bruit dans la blogosphère (là et là, par exemple), essayons de faire le point sur les principes physiques sur lesquels se base cette technologie.

Stocker l’énergie du soleil

Le soleil est aujourd’hui la source d’énergie renouvelable la plus abondante. Mais contrairement aux centrales classiques, l’énergie n’est pas disponible en continu au cours de la journée : il faut trouver un moyen efficace et peu cher de stocker cette énergie. Beaucoup de travaux sont donc menés pour imaginer des batteries plus performantes, moins chères et plus durables.

Pour mesurer la capacité d’un système de stockage d’énergie, on regarde ce qu’on appelle l’énergie spécifique : la quantité d’énergie (en Joules) que l’on peut stocker par kilogramme. Pour une batterie Li-ion, on est par exemple autour de 0.5 MJ/kg. La meilleure batterie du monde avoisinerait les 2.5 MJ/kg.

Mais ces performances de stockage des batteries sont à comparer à celles des combustibles : 50 MJ/kg pour du gaz naturel et près de 150 MJ/kg pour de l’hydrogène ! On voit que les combustibles sont une bien meilleure forme de stockage de l’énergie que les batteries ! (source)

Physique 11 avril 2011

La surfusion de l’eau, c’est supercool !

C’est bien connu, l’eau gèle à 0°C. Ce sont les lois de la thermodynamique qui nous le disent. Et la thermodynamique, c’est une science sérieuse !

Et pourtant dans certains cas, la nature a des réticences à suivre les lois de la thermodynamique : avec quelques précautions, il est ainsi possible de refroidir de l’eau à des températures inférieures à 0°C, sans qu’elle gèle !

Surfusion et solidification

Pour réaliser cet exploit, il faut refroidir l’eau très précautionneusement, par exemple dans un extérieur calme ou un congélateur bien isolé des vibrations. Si vous avez de la chance et du doigté, vous pourrez obtenir de l’eau liquide à -15°C ! C’est ce qu’on appelle l’état de surfusion.

L’explication réside dans le fait que même en dessous de 0°C, la réaction de congélation de l’eau ne se déclenche pas spontanément : elle a besoin d’une perturbation pour démarrer. Cette perturbation peut être une vibration, une impureté, un choc, etc.

En revanche, comme nous allons le voir, dès que la solidification a pu démarrer quelque part dans le liquide, elle se comporte comme une réaction en chaîne et se propage rapidement dans tout le volume d’eau disponible.

Rien ne vaut une belle vidéo pour illustrer ça. Youtube en regorge alors ne nous privons pas. Sur celle-ci l’expérimentateur (qui a oublié sa blouse blanche) possède une bouteille d’eau liquide qui a été refroidie en dessous de 0°C.

Physique 27 mars 2011

Il y a bien longtemps, dans une galaxie lointaine, très lointaine…

Il y a quelques mois, une équipe internationale a annoncé la découverte de la plus lointaine galaxie jamais observée [1]. Ce travail se base sur l’analyse de la lumière émise par cette galaxie, et notamment ce que l’on appelle le décalage vers le rouge. Voyons ce qu’est ce décalage et comment son intensité permet de quantifier le chemin parcouru par la lumière depuis son émission par la galaxie.

L’expansion de l’Univers

Le premier ingrédient pour comprendre la manière dont on estime l’âge et la distance des galaxies lointaines est l’expansion de l’Univers. La théorie de la Relativité Générale, mise au point par Einstein au début du XXème siècle, nous prédit que l’espace peut se dilater au cours du temps.

Cette dilatation a comme conséquence que les galaxies s’éloignent les unes des autres, un peu comme si elles vivaient sur un tissu extensible sur lequel on tire progressivement.

Physique 14 mars 2011

Non, l’Univers n’a pas 10 dimensions !

Depuis l’avènement de la théorie des cordes, on entend souvent que nous vivrions en réalité dans un Univers à 10 dimensions. Mais cette affirmation est trompeuse, et ce indépendamment de la validité de ces théories. En effet le nombre de dimensions de l’espace-temps est une caractéristique du formalisme mathématique utilisé, et ne devrait pas être considéré comme une propriété physique mesurable de l’Univers.

La théorie des cordes

Un des problèmes fondamentaux de la physique théorique du XXIème siècle consiste en l’unification de la théorie de l’infiniment petit, la mécanique quantique, avec celle de l’infiniment grand, la relativité générale.

Cette tâche est extrêmement ardue tant sur la plan du formalisme mathématique qu’en raison des questions conceptuelles qui se posent. La théorie des cordes constitue à ce jour la tentative la plus développée pour réaliser cet exploit.

Physique 28 février 2011

Les cycles de Milankovitch

Eh non, Milankovitch n’est pas le nom de la belle qui tient le premier rôle dans Le 5^ème élément ! Mais celui d’un astronome serbe beaucoup moins sexy, qui, en 1920, conjectura un lien entre d’infimes variations périodiques de l’orbite terrestre, et les changements climatiques qui sont intervenus sur Terre sur des échelles de quelques centaines de milliers d’années.

Les glaciations du Pléistocène

La Terre est âgée de 4,5 milliards d’années, et tout porte à croire que son climat a beaucoup changé au cours de son existence. On sait par exemple qu’il y a 750 millions d’années, notre planète était totalement recouverte de glace des pôles à l’équateur ! C’est ce qu’on appelle la glaciation Varanger.

Il n’est pas forcément évident de trouver des traces du climat aussi loin dans le temps (la glaciation Varanger est un cas extrême), mais pour les périodes plus récentes, on a pu reconstituer une histoire climatique un peu plus précise : c’est le cas des glaciations du Pléistocène.

Physique 14 février 2011

Skier sur du gallium

L’eau est une substance merveilleuse qui possède de nombreuses propriétés physico-chimiques qui la distinguent de la plupart des autres molécules. Il se trouve que c’est grâce à l’une de ces propriétés que l’existence du ski est possible.

Parmi les propriétés exotiques de l’eau, une des plus connues est sans doute le fait que l’eau augmente de volume quand elle se solidifie, ou une autre manière de le dire : la densité de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide.

En effet un solide cristallin possède une structure ordonnée et périodique alors qu’un liquide possède une structure désordonnée. Et en général une structure ordonnée est plus dense qu’une structure désordonnée, car elle permet de faire tenir plus d’atomes dans un volume donné.

Si vous n’êtes pas convaincus, videz une boite de sucre sur la table et essayez de les ranger de manière désordonnée !

Mais pour l’eau, c’est différent ! Bizarrement la structure ordonnée occupe plus de place que la structure désordonnée, et donc la glace est moins dense que l’eau liquide.

Mais saviez-vous que c’est pour une raison étroitement reliée à ce phénomène que l’existence du ski est possible ?

Physique 31 janvier 2011

Les Olympiades de la Physique

J’ai eu cette année le plaisir de faire partie du jury des Olympiades de la Physique, dont la finale s’est déroulée ce week-end au Palais de la Découverte. Au cours de ces deux journées, 26 groupes de lycéens nous ont présenté leurs travaux et expériences, et l’on peut dire que pour un scientifique aguerri, l’ensemble fut extrêmement rafraichissant, voir carrément bluffant !

26 finalistes

Les Olympiades sont organisées depuis 1992, et voient concourir des lycéens qui présentent en petit groupe un projet scientifique expérimental en physique. Après des sélections régionales au mois de décembre, les 26 groupes retenus se sont retrouvés vendredi et samedi au Palais de la Découverte pour la finale nationale.

Précisons tout de suite que bien qu’il s’agisse d’un concours, cela ressemble un peu à l’Ecole des Fans. Le jury se contente en effet de classer l’ensemble des 26 finalistes en trois groupes : 6 ou 7 « premiers prix », 7 ou 8 « deuxièmes prix » et une douzaine de « troisièmes prix ».

Physique 24 janvier 2011

La moissanite : cette roche qui n’existait (presque) pas

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau extrêmement dur, principalement utilisé comme abrasif. Produit industriellement depuis plus d’un siècle, il existe également à l’état naturel sous la forme d’une roche extrêmement rare : la moissanite. Tellement rare que son existence même a fait l’objet de nombreux débats jusqu’à une époque récente.

Le carbure de silicium

Le procédé industriel permettant de fabriquer du carbure de silicium (ci-contre) a été inventé et breveté par Acheson en 1893. Produit à partir de sable et de coke portés à une température qui peut atteindre 2500°C, ce matériau presque aussi dur que le diamant a été utilisé dès la fin du XIXème siècle pour des applications industrielles, comme la réalisation d’outils de découpe.

Le carbure de silicium était alors considéré comme un matériau complètement artificiel, car malgré la simplicité de sa formule chimique (SiC) et l’abondance de carbone et de silicium sur Terre, aucune roche naturelle contenant du carbure de silicium n’avait jamais été découverte.

Mathématiques 6 janvier 2011

Aller à l’infini en un temps fini

La théorie de la gravitation de Newton ayant plus de 300 ans, on peut légitimement penser qu’il n’y a plus grand-chose d’étonnant à y trouver. Et pourtant une construction publiée en 1992 nous réserve une drôle de surprise : il est possible d’envoyer des particules à l’infini en un temps fini !

N corps en interaction

La gravitation universelle semble une théorie relativement simple, en tout cas du point de vue des équations qui la décrivent. Et pourtant dès que plus de 2 corps interagissent selon les lois de Newton, la résolution des équations du mouvement devient la plupart du temps impossible de manière exacte : c’est ce qu’on appelle le problème à N corps.

Au cours de sa thèse à la fin des années 90, Jeff Xia a pu donner une réponse positive à une question ouverte depuis longtemps : il existe des situations où des corps en interaction newtonienne peuvent atteindre l’infini en un temps fini. Il a notamment montré explicitement que cela pouvait se produire avec un système de 5 particules en interaction.

La démonstration de ce résultat étonnant semble extrêmement ardue, mais on peut ici esquisser les grands principes de la construction.

Physique 30 décembre 2010

Sous les lumières blafardes des autoroutes

Qui ne s’est jamais amusé du teint blafard et orangeâtre que prennent les visages et les objets dans les tunnels autoroutiers ? Dommage pour les jolies couleurs de carrosseries imaginées par les constructeurs automobiles ! Et pourtant, contrairement à ce qu’on pourrait penser, ça n’est pas la couleur de la lampe qui est en cause !

Si vous n’êtes pas convaincus, songez qu’à certains moments de son coucher, le soleil peut très bien prendre une couleur très proche de celle des ces lampes d’autoroute. Pourtant vous ne pouvez pas nier que l’effet sur le paysage sera bien différent !

En effet entre le soleil couchant et la lampe d’autoroute, la différence n’est pas dans la couleur de la source lumineuse, mais dans ce qu’on appelle le rendu des couleurs. Pour comprendre d’où vient ce concept très important pour l’éclairage des habitats modernes, il nous faut remonter à ce qui crée les couleurs du point de vue physique mais surtout la perception biologique que nous en avons.