L’ouvrage Chimie et Notre-Dame de Paris est en ligne
Rubrique(s) : Événements
Le 15 avril 2023, quatre ans après l’incendie de Notre-Dame, les charpentiers ont posé le socle de la nouvelle flèche de la cathédrale qui devrait avoir retrouvé sa place dans le ciel de Paris fin 2023. Cet extraordinaire « chantier de Notre-Dame de Paris », les défis de la restauration et les travaux des équipes qui participent à cette restauration sont présentés dans l’ouvrage Chimie et Notre-Dame de Paris.
Nous voulons rendre hommage et témoigner notre gratitude au Général Georgelin, maitre d’œuvre du Chantier de Notre-Dame de Paris, disparu tragiquement dans un accident le 18 août 2023, qui a été le « ciment » et « l’âme » de cette restauration. Sans lui nous n’aurions pas pu organiser le colloque Chimie et Notre-Dame dont est issu cet ouvrage, ni éditer ce livre. Grâce à lui, nous avons eu la contribution des meilleurs experts dans tous les domaines de compétences.
Il nous a fait l’honneur dans le premier chapitre intitulé « Le chantier de Notre-Dame de Paris : état et prospectives » de nous raconter en direct la sécurisation du chantier et les énormes défis relevés par les équipes présentes dès le premier jour, puis comment très vite grâce à l’extraordinaire motivation de toutes ces équipes, le nettoyage et la restauration ont commencé et comment s’est organisé cet exceptionnel chantier scientifique que le Général Georgelin a dirigé « tambour battant ».
Danièle Olivier
Vice-Présidente de la Fondation de la Maison de la Chimie
L’ouvrage Chimie et Notre-Dame de Paris est dès maintenant disponible en ligne en PDF
ou à partir du 31/08/2023 en version papier.
Conférence du Général Georgelin : voir la vidéo et le résumé | télécharger le chapitre en PDF
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Chimie et Notre-Dame : Présentation du colloque
Après l’incendie de Notre-Dame de Paris qui, en 2019, nous a tous bouleversés, le Ministère de la Culture et le CNRS se sont mobilisés au côté de l’Établissement public chargé de la conservation et de la restauration de la cathédrale Notre-Dame de Paris créé par l’État et se sont associés dans le cadre d’un grand chantier scientifique pour mettre les compétences et les connaissances des chercheurs d’une cinquantaine de leurs laboratoires au service de la « résurrection » de l’édifice et de ses œuvres d’art. À cette occasion, ces chercheurs se sont aussi donné pour objectif le renouvellement des connaissances sur l’édifice et son histoire.
La chimie est présente aussi bien sur le chantier de restauration que dans ce programme de recherche et d’innovation qui associe archéologues, historiens de l’art, chimistes, physiciens et informaticiens, aux architectes et compagnons présents sur le site.
La Fondation de la Maison de la Chimie a souhaité faire le point sur ce que les sciences de la chimie ont et pourront apporter dans le programme de restauration de la cathédrale et plus généralement via des innovations dans le domaine des matériaux du patrimoine. Le responsable et les coordinateurs du programme nous ont fait l’honneur non seulement d’intervenir comme conférenciers, mais aussi de nous aider dans le choix des experts pour réaliser cet ambitieux objectif. Nous les en remercions vivement. La vue de l’incendie de Notre-Dame de Paris et son triste bilan ont profondément touché les citoyen de tous âges dans le monde entier.
Ce colloque, qui vise à apporter des informations précises sur le rôle possible des sciences « chimiques » dans la réparation de ce terrible événement et comment la chimie peut contribuer à lui redonner vie, est ouvert à tous les publics, avec une attention particulière aux jeunes et au monde éducatif. Le niveau des interventions se veut accessible à tous.
Bernard Bigot
Président de la Fondation internationale de la Maison de la Chimie
et Directeur Général de l’Organisation internationale ITER
Chimie et Chimie et Notre-Dame : Le colloque dans son intégralité
- Retrouvez toutes les vidéos sur Viméo/Fondation de la Maison de la Chimie avec la possibilité de télécharger les vidéos, conférence par conférence
- Regardez toutes les vidéos sur Youtube/Mediachimie
- Lisez la fiche Chimie et… en fiches :
L'incendie de Notre-Dame a-t-il considérablement plombé l'atmosphère parisienne ?
- Télécharger l'ouvrage intégral Chimie et Notre-Dame de Paris (PDF-22118 Ko)
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Colloque Chimie et Notre-Dame : Conférence par conférence
Conférences plénières d’ouverture
Animateur : Bernard BIGOT
- - Le chantier de Notre-Dame de Paris : état et perspectives
- Général d’armée Jean-Louis GEORGELIN | Représentant spécial du Président de la République et président de l’établissement public chargé de la conservation et de la restauration de la cathédrale Notre-Dame de Paris
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - De la chimie des matériaux à l’alchimie des équipes
- Aline MAGNIEN | Conservatrice générale du patrimoine, Directrice du Laboratoire de Recherche des Monuments historiques, Ministère de la Culture et de la Communication - Pascal LIEVAUX | Conservateur général du patrimoine, délégation à l’inspection, à la recherche et à l’innovation, direction générale des Patrimoines et de l’Architecture
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Table Ronde : Ils travaillent pour Sauver Notre-Dame
Animateur : Marc J. LEDOUX | DRCE Émérite du CNRS
- - La restauration des statues en cuivre de la flèche de la cathédrale Notre-Dame de Paris
- Richard BOYER | Directeur Général SOCRA
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - Charpente de sécurisation des arcs boutants et des voûtes
- Julien Le BRAS | Président Directeur Général Groupe Le Bras Frère
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - Conservation-restauration de peintures polluées par dépôt d’aérosols de plomb
- Marie PARANT | Restauratrice de peintures murales, indépendante - Witold NOWIK | Chimiste, ingénieur de recherche, responsable du pôle Peinture murale et polychromie, Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques
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Archéo matériaux
Animateur : Jean-Claude BERNIER | Professeur Émérite de l’Université de Strasbourg
- - Mémoire du bois : apport de la chimie à la connaissance de la charpente carbonisée de Notre-Dame de Paris
- Alexa DUFRAISSE | Chargée de recherche au CNRS, UMR 7209, Archéozologie, archéobotanique : Sociétés, Pratiques et Environnements (ASSPE), CNRS/MNHN, Paris
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - Conservation des maçonneries endommagées par les sels solubles suite à l’incendie de Notre-Dame de Paris en 2019
- Véronique VERGES-BELMIN | Géologue, Ingénieure de recherche, responsable du pôle scientifique Pierre, Laboratoire de recherche des monuments historiques (LRMH)
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - L’apport des analyses chimiques à la connaissance des armatures de fer de Notre-Dame de Paris
- Maxime L’HERITIER | Maître de conférences en histoire médiévale, Université Paris 8, ArScAn CNRS UMR 7041
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - Tracer les plombs de Notre-Dame de Paris par leur signature isotopique et élémentaire.
- Sophie AYRAULT | Directrice de Recherches au CEA, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), Université Paris Saclay
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Innovation et matériaux du patrimoine
Animateur : Philippe WALTER | Laboratoire d’archéologie moléculaire et structurale (UMR 8220 CNRS-UPMC), CNRS-Sorbonne Université
- - La conservation-restauration et la recherche sur les vitraux de la cathédrale Notre-Dame de Paris
- Claudine LOISEL | Ingénieure de recherche, responsable du pôle scientifique Vitrail, Laboratoire de recherche des monuments historiques (LRMH)
voir la vidéo et le résumé | chapitre en PDF - - Notre-Dame de Paris, matériaux et construction
- Rémi FROMONT, ACMH | Covalence Architectes - Pascal PRUNET | Architecte en chef des Monuments Historiques
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Conférence Plénière de clôture
Animateur : Mehran MOSTAFAVI | Université Paris-Saclay / Directeur Adjoint Scientifique INC/CNRS
- - Matériaux du patrimoine, compréhension du passé, prévision du futur. Quelques exemples
- Philippe DILLMANN | Directeur de Recherche - CNRS
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Conception graphique : CB Defretin | Images : © Renato SALERI / MAP / Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris / Ministère de la culture / CNRS – © Cyril FRESILLON / IRAMAT / NIMBE / ArScAn / CEA / Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris / Ministère de la culture / CNRS – © V. ABERGEL/A. GROS/MAP/MIS/Vassar College/A-BIME/Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris/Ministère de la culture/CNRS – © V. ABERGEL/L. DE LUCA/MAP/SRA-DRAC/AGP/MIS/Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris/Ministère de la culture/CNRS – © Cyril FRESILLON / AASPE / CNRS Photothèque – © Kévin JACQUOT / MAP / Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris / Ministère de la culture / CNRS – © V. ABERGEL/L. DE LUCA/MAP/SRA-DRAC/AGP/Vassar College/MIS/Chantier Scientifique Notre-Dame de Paris/Ministère de la culture/CNRS
Maurice Goldhaber meurt le 11 mai 2011 à Setanket-East Setauket dans le comté de Suffolk situé dans l’état de New York à plus de cent ans puisqu’il était né le 18 avril 1911 à Lemberg dans l’Empire austro-hongrois. Cette ville est, de nos jours, en Ukraine et porte le nom de Lviv.
Après la première guerre mondiale, la famille s’installe à Chemnitz dans l'est de l'Allemagne. À Chemnitz, Maurice Goldhaber fréquente le lycée. Il apprend le latin, le français et l’anglais en plus des matières scientifiques. Il obtient l’abitur, équivalent du baccalauréat, en 1930 et décide d’entreprendre des études de physique à Berlin.
À cette époque, de nombreux physiciens de renom enseignent à Berlin comme Max Planck (1858-1947), Albert Einstein (1879-1955), Max von Laue (1879-1960), Walther Nernst (1864-1941), Erwin Schrödinger (1887-1961), Otto Hahn (1879-1968) et Lise Meitner (1878-1968). Il reste trois ans à l’université à Berlin et trouve le cours de Lise Meitner sur la physique nucléaire très stimulant. C’est dans le cours de von Laue qu’il rencontre Gertrude Scharff (1911-1998) qui deviendra son épouse.
En 1933, avec les recommandations d'Erwin Schrödinger et de Max von Laue, il est accepté par Ernest Rutherford (1871-1937) comme étudiant au laboratoire Cavendish. Ce laboratoire est le département de physique de l’Université de Cambridge, il a été fondé en 1874 et porte le nom d’un physico-chimiste anglais talentueux Henry Cavendish (1731-1810). Rutherford le dirige de 1919 à sa mort en 1937.
Maurice Goldhaber a rapidement apporté sa première contribution majeure lorsqu'il a suggéré à James Chadwick (1891-1974), qui avait découvert le neutron en 1932 que le deutéron pourrait être désintégré par des photons à haute énergie. Ils travaillent ensemble et ils publient en 1934 la première mesure précise de la masse du neutron. Grâce à Chadwick la structure de l’atome a été complétée, le noyau est constitué de charges positives les protons et de charges neutres les neutrons autour sur des trajectoires elliptiques se déplacent des charges négatives les électrons ; l’atome est neutre électriquement, il possède autant de protons que d’électrons. Le deutéron encore appelé deuton est le noyau du deutérium, isotope naturel de l’hydrogène. Il contient un proton et un neutron. Les isotopes d’un même élément chimique possèdent le même nombre de protons et un nombre de neutrons différents.
Ces travaux lui permettent d’obtenir le doctorat en physique à l'Université de Cambridge en 1936. Dans le journal Le Temps du 15 septembre 1936, on peut lire dans la rubrique Causerie scientifique : « Or, tout dernièrement Chadwick et Goldhaber ont ouvert une nouvelle voie en montrant qu’un deuton frappé par les rayons gamma se dédouble en donnant un proton et un neutron. » Les rayons gamma sont un rayonnement électromagnétique d’un photon, ils ont une grande énergie et sont de nos jours utilisés en médecine nucléaire ainsi qu’en imagerie médicale.
N’obtenant pas de poste, il part aux États-Unis en 1938 et accepte un poste de professeur à l'Université de l'Illinois. Il est reconnu comme un expérimentateur créatif dans le domaine nucléaire. Mais Il va quitter l’Illinois car sa femme, Gertrude Scharff Goldhaber ne peut pas obtenir un poste rémunéré. Il part, en 1950, au laboratoire national de Brookhaven car sa femme est embauchée. Ce laboratoire a été créé en 1947 sur le site d’une ancienne base militaire américaine Camp Upton sur Long Island. Il dépend du département de l’énergie des États-Unis et son domaine est la physique nucléaire.
Il détermine en 1968, l’hélicité du neutrino avec Lee Grodzins (1926- ) et Andrew Sunyar (1920-1986). Ils montrent que le neutrino a une hélicité gauche car son spin est orienté dans le sens opposé à son mouvement. Le neutrino est une particule élémentaire électriquement neutre. Le spin est une des propriétés des particules en physique quantique. Il caractérise le moment angulaire intrinsèque. Un électron se déplace autour du noyau de l’atome, il a un moment angulaire orbital, il tourne aussi sur lui-même, c’est le moment angulaire intrinsèque ou spin. Si le spin est entier ou nul, les particules portent le nom de bosons. Si le spin est demi-entier, les particules sont nommées fermions. Les électrons et les neutrinos sont des fermions.
Au nom de la commission de l’énergie atomique des États-Unis, en 1968, il dépose un brevet pour l’invention d’un composé hélium-néon permettant l’étude des interactions du neutrino dans les chambres à bulles. Il dirige le département de physique à partir de 1960 et en 1961, il est nommé directeur, poste qu’il conservera jusqu’en 1973. Avec Edward Teller (1908-2003), il propose le modèle dit Goldhaber-Teller qui décrit la résonance géante dipolaire, celle-ci est due à la vibration groupée des neutrons en opposition à la vibration groupée des protons. La société américaine de physique l’élit président en 1982.
Bien que retraité en 1985, il continue de travailler jusqu’à plus de 90 ans. Sa dernière publication date de mai 2011, elle est écrite avec son fils Alfred. Il a obtenu de nombreux prix. En 1971, le prix Tom Wilkerson Bonner en physique nucléaire lui est attribué. Ce prix existe depuis 1964 en mémoire de Bonner (1910-1961). Il récompense des travaux en physique nucléaire et est décerné tous les ans.
Il reçoit le prix J. Robert Oppenheimer en 1982 attribué par le centre d’études théoriques de l’université de Miami depuis 1969. Robert Oppenheimer (1904-1967) est le père du projet Manhattan qui conduira à la fabrication de la bombe A qui a été utilisée à Hiroshima et à Nagasaki.
Puis en 1983, il reçoit la médaille nationale des sciences. Cette médaille est décernée par le président des États-Unis qui choisit les personnes à récompenser parmi une liste établie par la Fondation nationale scientifique. Elle récompense un travail important dans le domaine des sciences sociales, de la biologie, de la chimie, de l’ingénierie, des mathématiques et de la physique ainsi que des sciences du comportement.
Il obtient le prix Wolf en physique en 1991. Ricardo Wolf (1887-1981) est un inventeur d’origine allemande qui a été ambassadeur de Cuba en Israël et qui a créé une fondation. Depuis 1978, la Fondation Wolf attribue tous les ans en Israël six prix à des personnalités pour des réalisations dans l’intérêt de l’humanité et des relations pacifiques entre les peuples sans considération de nationalité, de religion, de couleur, de sexe ou d’opinion politique. Les prix Wolf récompensent des travaux en agriculture, mathématiques, médecine, chimie, physique et art, ils ne sont pas remis tous les ans. En physique et en chimie, les prix sont justes un peu moins prestigieux que le prix Nobel, souvent les lauréats du prix Wolf obtiennent le prix Nobel dans les années qui suivent.
Enfin, en 1999, le prix Enrico Fermi lui est attribué. Ce prix, décerné par les États-Unis à des scientifiques ayant œuvré dans le domaine de l’énergie, est administré par le département de l’énergie des États-Unis. Une médaille en or à l’effigie d’Enrico Fermi (1901-1954) est remise à celui qui reçoit ce prix.
En 2001, le laboratoire national de Brookhaven crée les bourses Gertrude et Maurice Goldhaber en leur honneur. Ces bourses sont décernées à de jeunes scientifiques qui ont déjà des titres et aussi du talent ainsi que des compétences exceptionnelles et dont les recherches montrent une indépendance d’esprit et une curiosité pour des domaines proches de leur sujet.
En 2008, le laboratoire célèbre le 50e anniversaire de la découverte de l'hélicité des neutrinos en donnant une conférence. Maurice Goldhaber, qui a 97 ans, est présent et monte sur l’estrade afin de présenter son point de vue sur l'avenir de la physique.
En août 2009, il déménage près de son fils, Alfred, un professeur de physique à l'Université Stony Brook. Son travail, bien que plus lent, continue. Avec son fils Alfred, il s'est mis à démontrer l'impraticabilité de remarquer l'hélicité inversée des neutrinos, l’article est publié dans Physics Today en mai 2011.
Maurice Goldhaber décède après une courte maladie le 11 mai 2011. Il a formé de nombreux chercheurs et plusieurs de ses élèves ont obtenu le prix Nobel.
Pour en savoir plus
Maurice Goldhaber, P. D. Bond et L. Grodzins, Physics Today (2011) 64 (10), 65
Maurice Goldhaber - A biographical memoir (PDF), R. P. Crease and A. S. Goldhaber, sur le site de National Academy of Sciences
Revue Scientifique 1/01/1939 p. 122 sur Gallica (BNF)
Illustration : Maurice Goldhaber probablement en 1937 GFHund — Travail personnel / Wikimedia, CC BY 3.0
Dans la région provençale, la garance est cultivée pour donner la couleur garance utilisée en teinture. À Avignon, la chambre de commerce propose un concours en 1858 sur la garance : Trouver un procédé usuel propre à reconnaître d’une manière sûre et facile, dans la Garance et les divers produits qui en dérivent, toute espère d’altération ou de mélange ayant un caractère frauduleux. Jean-Henri Fabre (1823-1915), professeur de physique et de chimie au lycée impérial d’Avignon, entreprend des travaux sur la garancine qui est de la poudre de racine de garance. Ces derniers sont récompensés par la chambre de commerce car il obtient le premier prix.
Dès 1826, Pierre-Jean Robiquet (1780-1840) et Jean-Jacques Colin (1784-1865) étudient la racine de garance et isolent deux colorants l’alizarine et la purpurine.
De 1859 à 1861, Jean-Henri Fabre dépose quatre brevets d'invention touchant à l'analyse des fraudes, mais surtout à l'alizarine pure, qu'il a réussi à extraire. Le 30 juillet 1859, le brevet porte le titre de L’obtention d’une garance épurée, au pouvoir tinctorial accru : la paludine.
Mais, en 1868, alors qu’ils travaillent chez BASF, Carl Graebe (1841-1927) et Carl Liebermann (1842-1914) découvrent l’alizarine synthétique qu’ils obtiennent à partir de l’anthracène tiré du goudron de houille. Un brevet est déposé et l’alizarine est commercialisée dès 1871. À un jour près, William Henry Perkin (1838-1907) réalise la même synthèse. L’alizarine est la 1,2-dihydroxyanthraquinone de formule C14H8O4 et de formule développée :
Cette découverte est catastrophique économiquement pour les régions où la garance est cultivée comme la Provence, l’Alsace et la Hollande car l’alizarine synthétique est peu chère et les quantités obtenues sont très importantes. En 1885, l’Allemagne produit en 20 jours autant d’alizarine que le département du Vaucluse et ses environs en une année entière.
Pour Jean-Henri Fabre aussi, c’est une catastrophe car il vient de passer pratiquement dix années à trouver des procédés pour améliorer l’obtention de l’alizarine naturelle et tout ce travail n’aura servi à rien.
C’est ainsi que les soldats français sont partis au combat en août 1914 avec des képis et des pantalons rouges, colorés non plus par la garance issue des cultures françaises mais par l’alizarine produite par l’Allemagne !
Cette tenue historique, nécessaire à la visibilité du soldat sur le champ de bataille enfumé par la poudre noire, devenait un handicap après l’invention de la poudre sans fumée en 1884. Après des tergiversations politiques et idéologiques, il fut décidé qu’il s’agissait maintenant de combattre sans être vu. Ce n’est que fin 1915 que l’intégralité des soldats français a pu disposer de la tenue « bleu horizon » dont le colorant provenait de l’indigo synthétique produit par les Britanniques.
Pour en savoir plus
- Altérations frauduleuses de la garance et de ses dérivés : Mémoires récompensés au concours ouvert à Avignon sur cette question, Chambre de commerce et d'industrie (Avignon), sur le site Gallica (bnf.fr)
- Jean-Henri Fabre, Thèses, Brevets inédits et Mémoires, sur le site e-fabre.com
- L’œuvre de Jean-Henri Fabre, A. Lécaillon, Revue pédagogique (1916) 68-1, pp. 278-297
- L'uniforme du fantassin français en 1914 et 1916, PDF disponible sur le site du Musée de l'Armée-Invalides (rubrique Fiches objets > Dans les collections)
- Rouge garance : une couleur martiale, F. Deherly, Le Blog Gallica (2021)
Illustration : Soldat français de la Première Guerre mondiale en 1914 (in coll. Mémorial de Verdun) Image retouchée (Antonov14)/Wikimedia, licence CC BY-SA 3.0
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Colloque Chimie, Recyclage et Économie Circulaire - mercredi 8 novembre 2023
Rubrique(s) : Événements
Réservez votre journée du mercredi 8 novembre pour participer au colloque accessible au grand public à la Maison de la Chimie.
Colloque Chimie, Recyclage et Économie Circulaire
Mercredi 8 novembre 2023
Maison de la Chimie, 28 bis rue Saint-Dominique, 75007 Paris
Les programmes nationaux, les colloques et séminaires de réflexions nationaux et internationaux sur le thème du recyclage sont nombreux, notre objectif n’est pas de faire un nième colloque mais d’apporter sur ce sujet d’importance des exemples et des réponses aux questions que se posent le monde éducatif – élèves et enseignants – et le grand public. Ce thème est fondamental pour l’avenir de notre planète : ni la gestion des déchets envahissants , ni la mise en oeuvre des transitions énergétiques et écologiques ne pourront être mises en oeuvre sans le recyclage car les ressources en matières premières organiques et minérales n’y suffiront pas.
Il est nécessaire d’agir et nous souhaitons montrer l’importance mais aussi les difficultés de la chimie du recyclage qui est une chimie de la « dé et reconstruction » Il faut gérer à la fois la logistique des produits usagés et des déchets et l’économie des procédés en respectant les règles imposées en terme d’empreinte carbone.
Le recyclage apparaît comme une nouvelle discipline coûteuse mais indispensable dans laquelle les chimistes jouent et joueront un rôle important.
Les conférenciers ont été choisis parmi les meilleurs experts de l’industrie, de la recherche, de la politique et de l’économie, dans les différents domaines concernés.
Ce colloque est ouvert sur inscription à un large public avec une attention particulière aux jeunes et à leurs enseignants. Pour que ce colloque puisse être accessible au plus grand nombre, il sera diffusé en direct sur la chaine YouTube de Mediachimie.
Le niveau se veut accessible à tous pour permettre un large débat.
Danièle Olivier et Jean-Claude Bernier
Co-Présidents du comité d’organisation
Inscription gratuite et obligatoire : INSCRIPTIONS
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Nos deux camarades Fadi et Sarah sont de nouveau enfermés dans une pièce du manoir : le grenier. Comme à son habitude, le professeur « Blouseblanche » ne laissera sortir les deux aventuriers que s’ils résolvent la nouvelle énigme qui va leur être proposée. Ainsi, ils pourront déverrouiller le cadenas et visiter d’autres pièces de l’extravagant manoir. Le professeur, toujours accompagné de sa tablette en guise de perroquet sur l’épaule, propose alors aux deux camarades une nouvelle énigme. Sauras-tu leur venir en aide ?
Les différentes utilisations et les supports dédiés
- Pour une résolution utilisant uniquement des supports papier :
- Le livret élève à distribuer (énigme papier)
- Le guide enseignant (énigme papier)
- Pour une résolution mixant supports papier et numérique :
- Le livret élève à distribuer (énigme numérique)
- Le guide enseignant (énigme numérique)
- Les vidéos de présentation de l'énigme et la résolution sont accessibles via un QRcode sur le livret élève
- Les QRcodes des vidéos des indices sont dans le guide enseignant (à imprimer pour distribuer aux élèves si besoin)
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Pourquoi économiser l’eau potable est-il aussi source d’économie d’énergie ?
Rubrique(s) : Question du mois
Le 22 mars 2023 était la journée mondiale de l’eau qui met l'accent sur l'importance de l'eau douce. L’assemblée générale des Nations-Unies (1) soutient la réalisation de l'objectif de développement durable : eau propre et assainissement, pour tous d'ici à 2030.
Si l’eau recouvre 72 % de la surface du globe, son volume étant estimé à 1400 millions de km3 (2), elle est à 97,2 % salée et présente dans les océans et les mers intérieures. Il y a donc 2,8 % d’eau douce sur la Terre mais seulement 0,7 % sont disponibles (nappes phréatiques et minoritairement lacs et rivières) pour les besoins vitaux. En effet le reste de l’eau douce se trouve sous forme de glace et neige. L’augmentation de la population mondiale et le changement climatique accentuent cette demande sur cette réserve limitée en eau douce.
Mais l’accès à l’eau douce ne suffit pas. Encore faut-il qu’elle soit potable. 1/4 de la population mondiale, soit 2, milliards de personnes, vit sans accès à l’eau potable. En France l’eau courante au robinet n’est pas une pratique si ancienne. Cosette (3) allait chercher l’eau de la rivière avec son seau. C’était aux environs de 1820 et cette eau n’était pas contrôlée. Il a fallu attendre 1930 pour que 30 % des communes en France aient un réseau d’approvisionnement en eau potable et ce n’est qu’en 1980 que la quasi-totalité de la population y a eu accès. En 2020, en France, la consommation moyenne en eau potable quotidienne est de 149 L/personne (4).
De la source au robinet : comment obtient-on de l’eau potable ?
Plusieurs procédés de production d’eau potable existent selon l’origine de la ressource : eau souterraine (nappes phréatiques), eau de rivière, eau de surface, eau de mer.
Il s’agit in fine de fournir une eau propre à la consommation, c’est-à-dire claire et exempte de virus et de bactéries et de toute matière organique naturelle ou issue de pollutions (médicaments, pesticides…).
Le traitement des eaux issues des nappes phréatiques d’eau douce accessibles ou des eaux de rivières suit globalement les étapes suivantes (5) : pompage de l’eau, stockage provisoire d’eau brute à traiter, dégrillage puis tamisage, dans certaines unités élimination d’une partie du calcaire contenue dans l’eau (décarbonatation) par précipitation puis filtration, pré-ozonation, filtrations sur argile, post-ozonation, filtration sur charbon actif puis chloration avant acheminement via les canalisations jusqu’à l’usager final. Il y a passage par les châteaux d’eau pour maintenir la pression dans le réseau de distribution. Une étape supplémentaire pour éliminer les nitrates pourra être nécessaire dans certaines régions à l’agriculture intensive.
La molécule d’ozone ou trioxygène, de formule O3, est un gaz instable, donc produit sur le site de traitement de l’eau par décharge électrique (arc électrique) dans le dioxygène (6). L’ozone a un très fort pouvoir oxydant et est virucide et bactéricide. Il participe aussi à l’élimination des odeurs.
La pré-ozonation utilise de l’ozone faiblement concentré et permet de déstructurer les particules colloïdales et les macromolécules et d’oxyder le fer et le manganèse dans les eaux souterraines peu chargées en matière organique. Dans la post-ozonation, sa concentration est plus forte et le temps de contact plus long. Elle permet la destruction des molécules organiques.
La filtration sur charbon actif, permet in fine la rétention des micro-résidus issus de la post ozonation. Puis, l’eau de Javel (7) est utilisée pour l’étape dite de « chloration ». Cette chloration est nécessaire pour maintenir l’absence de virus et bactéries tout au long des kilomètres du réseau. L’ozone ne pourrait pas remplir ce rôle car, trop instable, elle ne reste pas dans l’eau contrairement à l’eau de Javel. Il y a toutefois des points de contrôles régulièrement répartis sur le réseau afin de réajuster si nécessaire sa concentration.
Toutes ces étapes consomment de l’électricité.
Le traitement de l’eau de mer
Avant de la rendre potable il faut préalablement ajouter l’étape de désalinisation. Deux procédés existent : la distillation et l’osmose inverse. Ces procédés consomment beaucoup d’énergie. L’osmose inverse est majoritairement préférée de nos jours car moins gourmande en énergie.
Le procédé d’osmose inverse nécessite l’usage d’une membrane semi-perméable (8) séparant deux compartiments, dont l’un d’entre eux contient l’eau de mer salée. Il faut alors exercer dans ce compartiment une pression supérieure à la pression osmotique (9), ce qui force alors l'eau à passer, via la membrane semi-perméable, dans l’autre compartiment où l’eau pure qui s’y accumule est sans sel. Dans la pratique la pression exercée évolue entre 50 et 70 bars. De nombreuses recherches ont lieu pour diminuer le coût énergétique et passent par l’amélioration de la perméabilité de la membrane permettant d’abaisser la pression à exercer, tout en conservant sa sélectivité. De grand espoirs sont mis dans des membranes biomimétiques hautement sélectives (10).
Près de 100 millions de m3 d’eau par jour sont produits par dessalement d’eau de mer, dans environ 15 000 installations situées dans 150 pays.
Une fois dessalée, l’eau doit être potabilisée selon les étapes préalablement citées. Il est aussi souvent nécessaire de réintroduire quelques sels minéraux pour la rendre consommable.
Du lavabo à la rivière : comment traite-t-on les eaux usées ?
Les eaux usées sont les eaux que nous rejetons vers les égouts, quand on fait la vaisselle et le ménage, quand nous nous lavons, quand nous allons aux toilettes… Il s’agit de dépolluer ces eaux usées, avant de les rejeter dans la rivière. Mais attention, cette eau dépolluée n’est pas potable.
Il est nécessaire dans un premier temps de séparer les matières en suspension des eaux usées. Après une étape de décantation qui permet de séparer l’eau à traiter des huiles et graisses qui surnagent et des sables et solides plus denses, l’eau sale subit un traitement biologique aérobie. Des bactéries et micro-organismes naturels « digèrent » les contaminants organiques en présence de l’oxygène de l’air.
Ces traitements biologiques sont très efficaces, très résistants aux variations de température et peuvent être utilisés efficacement dans presque tous les climats. L’eau ainsi dépolluée est rejetée à la rivière.
Dans certaines unités, l’eau peut, avant rejet à la rivière, subir une ultrafiltration membranaire. Une membrane perméable est constituée d’un tube souple présentant des micro-perforations, jouant le rôle de filtre, capables de retenir des protéines ayant une taille de 0,03 µm. L’eau et les ions monovalents (comme les ions sodium et chlorure), ainsi que les ions divalents comme les ions calcium ou manganèse passent la barrière de la membrane avec l’eau. L’eau rejetée à la rivière a alors la qualité d’une eau de piscine.
Par ailleurs les boues issues du traitement biologique peuvent subir un traitement anaérobie, produisant du méthane, CH4, nommé biogaz, source d’énergie. Ainsi les unités d’épuration des eaux usées, tendent de plus en plus à être autonomes en énergie.
Comment recycler les eaux usées ?
On peut l’envisager pour l’irrigation et le nettoyage de la voirie par exemple. Aujourd’hui seulement 0,6 % des eaux usées sont réutilisées en France alors qu’en Italie le pourcentage est de 8 %, 14 % en Espagne et 84 % en Israël.
Aux Sables d’Olonne en Vendée vient de démarrer la construction d’une usine de recyclage des eaux usées afin d’obtenir de l’eau potable, dans le cadre du programme Jourdain (11). Cette usine est une usine pilote pour la France et pour l’Europe. Le nom Jourdain est à la fois inspiré du fleuve Jourdain et du Bourgeois gentilhomme de Molière ! (12)
Cette usine sera connectée à la station d’épuration voisine et l’eau sera nettoyée en cinq étapes : ultrafiltration, osmose inverse, traitement aux UV qui élimine les microbes pathogènes avec une fiabilité de 99,99%, puis une chloration à l’eau de Javel, une filtration et enfin une reminéralisation (13).
Eau et Énergie : l’interdépendance
Comme on vient de le voir, l’ensemble du cycle de l’eau consomme de l’énergie, du pompage à l‘épuration. Cela représente 2 à 3 % de l’énergie mondiale utilisée. Dans les zones urbaines, 1 à 18 % de l’électricité sont utilisés pour traiter et transporter les eaux potables et usées.
La figure 1, indique des fourchettes de valeurs concernant la consommation en électricité des différentes opérations décrites précédemment tout au long du cycle de l’eau. Selon les cas de figure, le captage, la potabilisation, la distribution, la collecte et l’épuration de 1 m3 nécessitent entre 1,8 et 9,5 kWh.
Figure 1 : Besoins en électricité dans le cycle de l’eau. Source : Eau et énergie sont indissociables p. 12 (14)
La consommation énergétique dépend également de la nature de l’eau à traiter. Dans le tableau 1, les trois premières lignes concernent des eaux brutes toutes distribuées sans être embouteillées.
Tableau 1 : Consommation énergétique en fonction de l’eau à traiter. Source : Eau et énergie sont indissociables p. 12 (14)
Concernant l’eau en bouteille : il s’agit d’eaux minérales ou de source (15), issues d’eaux souterraines, microbiologiquement saines, et non traitées. Leur impact énergétique très élevé provient majoritairement des matières premières et de l’énergie nécessaires à la fabrication des bouteilles.
On retiendra donc que « Économiser l’eau revient à économiser aussi l’énergie ».
On peut identifier trois axes principaux pour réduire la consommation d’énergie dans le cycle de l’eau :
- développer de nouveaux concepts de stations d’épuration permettant de récupérer la chaleur et de produire de l’électricité́ à partir du biogaz ;
- mettre au point des membranes d’ultrafiltration et d’osmose inverse moins énergivores ;
- identifier tous les moyens de récupération de l’énergie consommée par les mises en pression au sein des procédés.
L’eau est essentielle à la vie. Il n’existe pas de substitut. Si l’énergie peut être renouvelable, l’eau n’est pas renouvelable ; depuis l’époque des dinosaures, la quantité́ d’eau douce sur la Terre n’a pratiquement pas évolué́. Il convient donc de la réutiliser au maximum. L’accroissement de la population, l’augmentation des standards de vie, la production de nourriture et l’industrialisation sans cesse croissante, engendrent une pression sur les ressources en eau qui n’a fait que croitre au cours des décennies. De plus, la pollution et la contamination des ressources en eau douce ont comme conséquence une diminution continue des réserves de qualité́ disponibles.
On notera qu’en France il existe un seul réseau de distribution d’eau à savoir d’eau potable et qu’il faut donc impérativement l’entretenir pour éviter les fuites (estimées à 20 %, soit pour 5 litres d’eau mis en distribution, 1 litre d’eau revient au milieu naturel sans passer par le consommateur) (16), ce qui est considérable. Et pour les citoyens que nous sommes, faisons tous ces petits et grands gestes pour ne pas gâcher l’eau (17).
Françoise Brénon et Odile Garreau
(1) Journée mondiale de l’eau des Nations-Unies
(2) L’Eau dans l'Univers, sur le site Eau France, le service public d'information sur l'eau
(3) Les Misérables de Victor Hugo
(4) Le service public d'information sur l'économie de l'eau
(5) Pour mieux comprendre ces étapes, consultez la fiche Chimie et… en fiches L’eau, une ressource indispensable pour la ville de A. Charles, A. Harari et J.-Cl. Bernier (Mediachimie.org) et le Memento degremont® Procédés et technologies (SUEZ)
(6) Pour en savoir plus sur l’obtention de l’ozone, voir le Memento degremont® Génération de l’ozone (SUEZ) et sur l’ozone en général, la question du mois L’ozone : bon ou mauvais ? L. Amann (Mediachimie.org)
(7) L’eau de Javel est une solution basique contenant les ions hypochlorite ClO-. Compte tenu du pH de l’eau distribuée, qui est proche de 7,5, il y a coexistence de l’ion ClO- et de la molécule d’acide hypochloreux HClO qui est le composé le plus virucide et bactéricide des deux, car non ionique il traverse plus facilement la membrane cellulaire. L’eau de Javel : sa chimie et son action biochimique, de G. Durliat, J.-L. Vignes et J.-N. Joffin, Bulletin de l'Union des physiciens, n° 792, vol. 91 (mars 1997) pp. 451-471
(8) Une membrane semi-perméable laisse passer l’eau mais pas les ions plus gros que la molécule d'eau, comme le sont les ions sodium Na+ et chlorure Cl-.
(9) La pression osmotique correspond à la différence des pressions exercées de part et d'autre d'une membrane semi-perméable par deux liquides contenant des ions de concentrations différentes.
Pour en savoir plus : L’osmose inverse, de J. Nahmias L’Actualité chimique n° 404 (février 2016) pp. 63-64
(10) Les canaux artificiels d’eau : des membranes biomimétiques pour le dessalement, de M. Barboiu, L’Actualité chimique n° 470 (février 2022) pp. 33-34
(11) Le Programme Jourdain sur le site Vendée Eau
(12) Le nom du programme évoque le fleuve Jourdain qui traverse Israël. Sa ressource partagée par les pays qui le bordent devient limitée. Israël est devenu un modèle pour sa réutilisation de plus de 90% de son eau potable et 50 % de son eau recyclée est consacrée à l’arrosage des terres cultivées.
Le nom fait aussi référence au Bourgeois gentilhomme ! Voir le Programme Jourdain sur le site de Veolia
(13) Pour en savoir plus consulter la fiche Chimie et… en fiches L’eau, une ressource indispensable pour la ville (figure2) de A. Charles, A. Harari et J.-Cl. Bernier (Mediachimie.org)
(14) Conférence et ressource Eau et énergie sont indissociables, de M. Florette et L. Duvivier, Colloque Chimie et enjeux énergétiques, Fondation de la Maison de la chimie (2012).
(15) Eaux conditionnées sur le site du Ministère, de la santé et de la prévention
(16) Rendement des réseaux d’eau potable, statistiques de 2012, sur le site Eau France, le service public d'information sur l'eau
(17) Consulter Comment économiser l’eau dans mon logement ?, sur le site Tout sur mon eau (SUEZ)
Crédit illustration : PublicDomainPictures/Pixabay
L’intelligence artificielle est un des domaines de l’informatique qui prend une place de plus en plus importante dans notre quotidien (moteurs de recherche, itinéraires routiers...) mais aussi dans la recherche depuis quelques décennies. En doublant tous les dix-huit mois, la puissance des ordinateurs n’a cessé d’augmenter de façon très significative au fil des ans. Ceci a permis d’accroître les capacités de ces machines à exécuter des tâches normalement associées à l’être humain pour résoudre, entre autres, des problèmes complexes en analysant des données en nombre de plus en plus colossal. Depuis les années 1960, les chimistes utilisent ces machines capables de traiter des données et les applications liées à leur utilisation permettent d’optimiser la recherche et le développement de nouvelles molécules.
Parties des programmes de physique-chimie associées
- Programme d’enseignement scientifique de terminale, thème 3 :Une histoire du vivant, partie 5 : De la machine de Turing à l’intelligence artificielle
- Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale, partie « Constitution et transformations de la matière », 2.a : Suivre et modéliser l’évolution temporelle d’un système, siège d’une transformation chimique, 4. : Élaborer des stratégies en synthèse organique
- Programme de physique-chimie de terminale STL : partie « Chimie et développement durable » / Synthèses chimiques
- Programme de physique-chimie et mathématiques de première STL : partie « Transformation chimique de la matière » / Cinétique d’une réaction chimique
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Comment les retardateurs de flamme (RF) minimisent-ils les risques d’incendie ?
Rubrique(s) : Question du mois
Depuis toujours la sécurité incendie a été la préoccupation des sociétés. Dès le XVIe siècle, les tentures des théâtres parisiens ont été traitées pour les rendre ininflammables. Mais c’est Gay-Lussac qui a publié en 1821 les premiers travaux scientifiques avec une note sur la propriété qu’ont les matières salines de rendre les tissus incombustibles (1).
Les feux de forêt souvent décrits dans les médias résultent de la combustion de l’élément carbone du bois. Le bois est un biopolymère composite tridimensionnel constitué de trois polymères de type polyglycoside : la cellulose (50%), l’hémicellulose (25%) et la lignine (25%). La combustion libère du dioxyde et du monoxyde de carbone (CO2 et CO), mais aussi des composés organiques volatils (COV), tels que des dérivés benzéniques ou terpéniques, qui sont très inflammables au contact de l’oxygène de l’air. De tout temps on a arrosé les feux avec de l’eau qui en se vaporisant chasse l’air et prive ainsi le feu en oxygène tout en faisant baisser la température. Peu à peu des additifs ont été ajoutés pour retarder les combustions et la propagation des flammes, ils sont appelés retardateurs de flamme (RF). Ils sont aussi ajoutés dans l’eau lors des largages aériens (2).
Pour protéger le bois des agressions extérieures (humidité, UV, champignons, insectes…), des revêtements ont été réalisés avec des peintures et des vernis. Ceux-ci contiennent des liants qui sont des polymères notés ici généralement R1H donc constitués principalement d’éléments réducteurs comme l’hydrogène et le carbone, et qui peuvent rendre inflammables ces polymères en présence d’une source de chaleur et de l’oxygène de l’air. Il est donc ajouté des RF aux peintures et vernis. De même des RF sont en général utilisés dans de nombreux plastiques de la vie courante pour atteindre des propriétés ignifugeantes reconnues.
Qualitativement on évoque les étapes suivantes quand un polymère brûle :
- i) l’échauffement qui pour les thermoplastiques les ramollit et les fait fondre contrairement aux thermodurcissables à réseau 3D réticulés qui se ramollissent peu ou pas.
- ii) la décomposition : au-delà d’une température critique, les liaisons se cassent pour former notamment des radicaux H. et O., engendrant des molécules organiques plus légères et inflammables.
- iii) l’inflammation : qui dépend de la cinétique des décompositions des polymères, et des concentrations en dioxygène (O2) et en COV. L’inflammation se perpétue tant que la combustion des polymères continue pour générer des gaz combustibles (3).
Les modes d’action des RF sont présentés comme suit :
- i) « empoisonner » la phase gazeuse en inhibant les réactions radicalaires par des réactions de transfert ou de recombinaison. Les premiers RF étaient des dérivés halogénés notés RX, qui conduisent aux équations de réaction : RX + R1H → R – R1 + HX
- L’hydracide HX formé a un rôle inhibiteur vis-à-vis des radicaux H. et HO., qui sont présents dans la flamme selon les équations suivantes : HX + H. → H2 + X. et HX + HO. → H2O + X.
- ii) refroidir et protéger le polymère en ajoutant des hydroxydes métalliques d’aluminium ou de magnésium. Ils doivent être incorporés en grande quantité (60% en masse !) pour avoir une efficacité notable mais ceci entraîne une perte sensible des propriétés mécaniques du polymère. Leur décomposition vers 200 °C s’accompagne de la formation respective d’oxydes d’aluminium ou de magnésium ce qui constitue une couche protectrice ralentissant la dégradation du polymère ; c’est l’étape dite de la céramisation.
- iii) le matériau, chauffé au-delà d’une certaine température critique se gonfle en donnant une barrière alvéolaire, susceptible de protéger le polymère : c’est l’étape d’intumescence.
Ceci nécessite alors des formulations précises avec principalement trois composés :
- a) d’abord une source acide avec souvent des phosphates d’ammonium (par exemple (NH4)3PO4) qui chauffés vers 200°C, se décomposent en ammoniac gazeux et en acide phosphorique ce qui conduit à un pH acide (i) voisin de 2, hydrolysant alors les liaisons chimiques du polymère ;
- b) ensuite une source de carbone apportée par des sucres (ex : le maltose) ou des polyholosides (ex : l’amidon) et susceptibles de « charbonner » c’est à-dire conduisant à un résidu de carbone (appelé char) ;
- c) enfin un agent gonflant de type azoté (par exemple la guanidine de formule (NH2)2 C=NH) qui par chauffage se sublime pour donner un dégagement gazeux d’ammoniac provoquant l’expansion du char. De même l’ammoniac libéré par la décomposition du phosphate d’ammonium participe au gonflement.
- iv) des nanocomposites (de dimension inférieure à 100 nm) incorporés dans le polymère à des taux inférieurs à 10%, se sont révélés avoir des propriétés de tenue au feu remarquables : des argiles de type montmorillonite ou des nanoparticules d’oxyde de titane, de silice, des nanotubes de carbone par exemple ont été ainsi utilisés pour réduire de l’ordre de 50 % le risque d’inflammation du polymère (3).
Des normes de performances des RF ont été établies principalement par des mesures de calorimétrie : d’extinction de flamme (ISO 4589), d’inflammabilité (ISO 5660), de propagation de flamme (ISO 5658-2). Ces mesures sont utiles pour une approche prescriptive en particulier dans les secteurs du bâtiment, des transports publics (trains, avions, bateau…) mais aussi pour aider la recherche des causes des sinistres et valider les logiciels de simulation des incendies. Les mesures au calorimètre précisent le débit calorifique, soit le flux d’énergie thermique dégagée lors de la combustion du matériau. La technique consiste à mesurer la consommation en oxygène car la chaleur dégagée par la combustion est proportionnelle à la quantité d’oxygène correspondante. Le principe est simple : la combustion est provoquée dans un volume de contrôle et les effluents gazeux sont collectés via une hotte vers un conduit d’extraction dans lequel ils sont analysés (4).
Les RF peuvent dégager des fumées toxiques pour l’environnement et la santé humaine par migration et lessivage des produits lors de températures élevées et dans des atmosphères humides (5-6). Plus de 40 % des matières plastiques produits en Europe renferment des additifs de type RF. Leurs propriétés chimiques sont décrites sur le site européen ECHA. Parmi les 69 RF utilisés en Europe, 12 d’entre eux sont en cours de réévaluation de toxicité, notamment les dérivés bromés. Par ailleurs des RF contenus dans des polymères usagés sont triés par flottation (différence de densité) et détectés par transmission aux rayons X. Des unités encore au stade de pilote sont en cours pour fabriquer de nouveau des polymères ignifugés (7) ! Des normes de toxicité spécifiques sont éditées notamment dans les transports ferroviaires (8).
Pour obtenir des matériaux polymères possédant des RF, il faut créer des liaisons fortes entre le matériau polymère et les RF. Des travaux récents (2022) de M. Denis et al., de l’université de Montpellier, ont permis de mettre au point la synthèse d’un oligomère protégeant le bois, aux propriétés encore plus respectueuses de l’environnement. Il s’agit de la réaction d’un dérivé phosphoré fonctionnalisé avec un motif vinyle silane (de formule générale CH2 = CH -SiMe3) conduisant à une résine. Des peintures formulées avec ces résines modifiées ont été évaluées au calorimètre à cône et ont montré d’excellentes propriétés ignifugeantes : un bois recouvert d’un vernis, contenant 30% de cet oligomère, présente une réduction du dégagement de chaleur maximum de plus de 55 % (9)!
Jean-Pierre Foulon
(i) L’équation de réaction mise en jeu lors du chauffage s’écrit : (NH4)3PO4 → 3 NH3 (g) + H3PO4
Pour en savoir plus :
(1) Note sur la propriété qu'ont les matières salines de rendre les tissues incombustibles, de L.J. Gay-Lussac, Annales de Chimie et de Physique (1821), T. 18, p. 211-218 (consultable sur GALLICA), la bibliothèque numérique de la BNF et de ses partenaires
(2) La chimie des feux de forêt, de J.-C. Bernier, éditorial (30/08/2018), site Mediachimie.org
(3) Retardateurs de flamme et polymères des propriétés fonctionnelles, communication personnelle (2023) de S. Bourbigot et G. Fontaine (École Centrale-Lille)
(4) La calorimétrie des procédés et de la sécurité, de F. Stoessel, L'Actualité chimique (Juin 2019) N°&nbs^p;441, p 28
(5) Retardateurs de flamme sur le site Wikipedia
(6) Propriétés dangereuses des retardateurs de flamme dans les plastiques, Rapport d’appui de l’INERIS (du 4 /12/2021)
(7) Site ECHA ( rechercher flame retardant)
(8) Réaction et résistance au feu des matériaux composant les trains EN 45545-2 et EN 45545-3 sur le site CREPIM
(9) Des résines alkydes hydrides aux propriétés ignifugeantes pour la formulation de revêtements, de M. Denis, L'Actualité chimique (Mai-Juin 2023) N° 484-485, p. 78
Crédit illustration : Hans/Pixabay
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Quel avenir pour l’énergie solaire ?
Rubrique(s) : Éditorial
Alors que l’Agence internationale de l’énergie note qu’en 2022 les énergies éoliennes et solaires ont dépassé les 11% de l’électricité sur le plan mondial, une conférence de Daniel Lincot au Collège de France et un rapport de l’Académie de technologie sur le photovoltaïque doivent attirer notre attention (1).
Les panneaux solaires
Pour rappel, l’énergie solaire via un panneau photovoltaïque s’appuie sur le fait que l’absorption de photons par un matériau semi-conducteur peut générer un courant électrique (i).
Parmi ces matériaux, le silicium est particulièrement bien placé car son « gap » correspond en énergie à celle du rayonnement solaire (2). Il reste à capturer les électrons excités pour en faire un courant électrique, avec un collecteur. Depuis 1955 et les premières cellules basées sur des jonctions P/N (ii) simples avec 6% de rendement on a d’abord amélioré le dopage avec des éléments comme le bore ou le phosphore. L’adjonction de grille pour drainer les électrons, la passivation de la surface et sa texturation pour réduire la réflexion de la lumière ont permis de monter le rendement entre 15 et 20%. L’innovation des hétéro-jonctions avec des dépôts de couches minces sur le silicium cristallin ont encore amélioré le rendement à 26%. Pour aller plus loin on pense à mieux absorber les photons dans l’ultra-violet ou ceux qui ont une grande longueur d’onde : on superpose alors à la cellule silicium d’autres cellules qui ont ces propriétés d’absorption, ainsi les cellules dites « tandem » peuvent atteindre 30 à 40% de rendement (3). La recherche est toujours très active en ce domaine avec les nouvelles pérovskites et les cellules organiques.
Pour l’instant face à la concurrence du silicium, la filière couche mince CIGS (iii) ou CdTe n’a pas encore réussi à s’imposer et ne dépasse pas 5% de la production. Cependant en France Solar Cloth produit des panneaux souples légers et performants puisque les modules en couche mince CIGS atteignent un rendement de 17% pouvant recouvrir les toits trop fragiles ou avoir des applications dans les tentes ou serres photovoltaïques (4).
Le silicium photovoltaïque
Pour fabriquer des panneaux photovoltaïques la chimie des matériaux est complexe et énergivore (5). On peut distinguer six étapes.
- Il faut réduire le sable (silice) par le carbone selon SiO2 + C = Si + CO2. Pour cela on utilise du coke à haute température, 1500 – 2000°C dans un four à arc.
- Le silicium est fondu à 1500 °C et par balayage de gaz on élimine la calcium et l’aluminium initialement présents dans le sable, pour obtenir le silicium métallurgique pur à 98%.
- Par attaque à l’acide chlorhydrique, HCl, on obtient le composé de formule SiHCl3 qui, une fois purifié par distillation à 300°C, est décomposé par le dihydrogène, H2, pour obtenir le silicium suivant la réaction SiHCl3 + H2 = Si + 3 HCl. Fondu sous vide on obtient du silicium pur à « cinq neuf » soit 99,999%
- Les lingots sont alors purifiés par zone fondue pour obtenir du « 7 neuf » (99,99999 %), par le procédé Czochralski). On amorce le bain fondu avec un germe et on étire un cylindre monocristallin (6).
- On découpe ensuite les « wafers (iv) » qui ont 0,2 mm d’épaisseur sur 20 cm et on opère les opérations de dopage dans des fours à atmosphère contrôlée.
- Viennent les opérations de surfaçage puis de montage avec les circuits de cuivre et insertion dans les cadres en aluminium et les protections en verre.
Toutes ces opérations exigent pas mal d’énergie, des réactifs chimiques, acide et bases, des quantités d’eau souvent pure de qualité électronique et inévitablement génèrent des effluents qui demandent à être traités.
La situation en France et en Europe
La France dispose de 17 GW de puissance photovoltaïque installée au premier trimestre 2023 et une production de l’ordre de 2,2% de l’électricité nationale. On est en retard sur le tableau de marche (20 GW en 2023 et 35 GW en 2028) ce qui imposerait d’installer au moins 3 GW par an (7).
Le problème est que si en 2022 les exportations de panneaux photovoltaïques (PV) représentaient 7% de l’excédent de la balance commerciale chinoise les importations de ces mêmes panneaux représentaient 2% du déficit commercial en France. Car la production de silicium de la silice aux wafers est à 95% aux mains de la Chine qui a investi des dizaines de milliards de dollars dans cette filière et qui investit encore dans les nouveaux produits hétérojonction et tandem. Le prix du Watt solaire s’est écroulé et le MWh est devenu compétitif dans les pays très ensoleillés, largement en dessous de 60 €. Cette redoutable machine chinoise a laminé l’industrie européenne du silicium. S’il reste un fondeur allemand Wacker et quelques fabricants de wafer notamment en Norvège, l’Europe n’est riche que de projets exigeants des milliards d’investissements pour espérer émerger sur ce marché en 2030. Et le pire c’est que ces modules PV sont fabriqués actuellement avec une énergie qui en Chine s’accompagne d’environ 600 g de CO2/ kWh, souvent issue de centrales thermique à charbon.
Des calculs très précis ont été faits sur les dépenses énergétiques des six stades de fabrication. La dépense énergétique la plus forte est paradoxalement le dernier stade, on n’est pas très loin de 3000 kWh par m² de modules. S’ils sont produits en Chine cela représente près de 1,8 tonnes de CO2 alors que s’ils étaient fabriqués en France cela ne représenterait plus que 180 kg, méritant mieux le label bas carbone. Sachant qu’un panneau PV produit en moyenne 300 kWh/m² par an on voit qu’il faut quelques années de production pour compenser l’énergie dépensée pour sa fabrication.
D’où l’intérêt en France et en Europe pour des solutions moins énergivores telles que les couches minces de CIGS développées par l’IPVF (l’Institut Photovoltaïque d'Île-de-France) à Saclay.
Les recommandations de l’Académie de technologie sont de dire que même si l’Europe est actuellement pieds et mains liés à un seul fournisseur, la Chine, comme le fut l’Allemagne au gaz russe, la situation est grave mais non catastrophique. Si au niveau européen on s’entend pour produire, du sable au wafer, des cellules de silicium européennes fabriquées avec une énergie plus propre, nous avons une carte à jouer en industrialisant au plus vite les technologies TOPcon (v) et Tandem à base de pérovskites pour avoir un avantage concurrentiel sur le rendement des cellules. Indépendamment, encourager l’industrialisation des panneaux couches minces qui peuvent s’avérer décisifs dans l’évolution du photovoltaïque et redonner une compétitivité européenne dans le PV bas carbone.
Enfin il faut, à l’instar du « Inflation Reduction Act » (IAR) des États-Unis, que l’Europe se donne les moyens d’un investissement colossal et des arrangements fiscaux pour une industrie capable de rivaliser avec les géants américains mais surtout chinois.
Jean-Claude Bernier
Juin 2023
(i) Le comportement électrique des semi-conducteurs peut être expliqué par le modèle de la théorie des bandes d’énergie. Dans ce modèle, les électrons dans l’état fondamental (état stable, non conducteur), sont répartis dans une bande d’énergie appelée bande de valence. Si un apport extérieur d’énergie est apporté au matériau, certains électrons peuvent absorber cette énergie et sauter dans une bande dite de conduction. Le matériau conduit alors le courant. L’écart d’énergie entre ces deux bandes est appelé bande interdite ou « gap ». Il faut donc que l’apport d’énergie extérieure soit supérieur à ce gap.
(ii) Pour en savoir plus sur les jonctions P/N : L’essentiel sur les cellules photovoltaïques sur le site du CEA
(iii) CIGS pour les éléments chimiques cuivre, indium gallium, et sélénium.
(iv) On appelle Wafer une « tranche » ou une plaque très fine de matériau semi-conducteur monocristallin.
(v) « Nous avons choisi la technologie TOPCon pour notre future gigafactory française de production de cellules solaires », L'Usine nouvelle, 23 mai 2022
Pour en savoir plus
(1) La solution photovoltaïque, D. Lincot, vidéo CNRS
Énergie solaire photovoltaïque et transition énergétique, D. Lincot, leçon inaugurale au Collège de France - D. Lincot
Académie des technologies : pour le développement de productions industrielles de panneaux photovoltaïques en France et en Europe sur le site de l'IPVF
(2) La conversion photovoltaïque de l’énergie solaire, D Lincot, Revue du Palais de la découverte n° 344-345 (janvier-février 2007)
(3) Les nouvelles filières photovoltaïques, D. Lincot, vidéo CNRS
(4) Les filières photovoltaïques en couches minces et leurs perspectives d’application à l’habitat, D. Lincot, in La chimie et l’habitat (EDP Sciences, 2011)
(5) L’électronique, c’est de la chimie, P. Bray, O. Garreau et J.C. Bernier, fiche Chimie et en fiches… cycle 4, Mediachimie.org
(6) De la chimie au radar du rafale, Bertrand Demotes-Mainard, Colloque chimie et technologie de l’information (2013)
(7) La R&D au service de la décarbonation de l’industrie, J. Ph. Laurent, Colloque Chimie et énergie nouvelles (2021)
Crédit illustration : andreas160578/ Pixabay