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Le graphène est un matériau en deux dimensions, un cristal constitué d’atomes de carbone agencés en hexagones. Dans la nature, l'empilement de couches de graphène forme le graphite, que l'on rencontre couramment dans les crayons. Enroulé ...

Géothermie en béton

La géothermie

Dans le cadre de la transition énergétique, les technologies liées aux énergies renouvelables se développent. Parmi elles, la géothermie consiste à utiliser la chaleur des sols. Elle permet de réduire la consommation énergétique d’un bâtiment.

Les transferts de chaleur entre le sous-sol et le bâtiment s'effectuent grâce à un système de circulation d'eau et à des pompes à chaleur. L'objectif est de produire l'eau chaude sanitaire, de chauffer le logement en hiver et de le refroidir en été (technique appelée geocooling).

Les fondations thermoactives en béton

Le béton s'avère être un allié des installations de géothermie. C'est un bon conducteur de chaleur et surtout, il permet d'intégrer les tubes de captage ou les canalisations de circulation d’eau directement dans les fondations. Cela permet d'optimiser la surface d’échange avec le sous-sol et d'améliorer l’échange thermique.

Les fondations thermoactives permettent ainsi de chauffer ou de refroidir un bâtiment en combinant la structure de portage avec l'échange de chaleur.

Le béton et le stockage passif de chaleur

La géothermie peut également utiliser du béton en surface, comme c'est le cas pour les poteaux énergétiques ou les collecteurs routiers. Les éléments et structures en béton font alors office d’échangeurs de chaleur, de systèmes de distribution, de tampons thermiques ou de collecteurs, ce qui permet par exemple de préserver le revêtement routier des effets du gel sans l’intervention nocive des sels d’épandage.

Les éléments passifs en béton peuvent aussi jouer un rôle utile dans la gestion énergétique d’un bâtiment. En tant que tampons, ils assurent le stockage de l’énergie thermique et son émission retardée. La chaleur de l'été peut alors être absorbée la journée, pour être évacuée de nuit via une ventilation nocturne. En hiver ou durant l’entre-saison, l’énergie du soleil bas peut être emmagasinée pour être libérée le soir venu. Ces techniques conduisent à un nivellement des pics de température, donc à une moindre consommation d'énergie.

En savoir plus

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur

Fondations thermoactives : de l'énergie captée dans du béton

La technique du rafraîchissement par géothermie, sur le site Géothermie perspectives

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Propriétés du graphène
Les qualités électroniques et mécaniques du graphène ouvrent des pistes technologiques dans les domaines de l'électronique, de l'énergie, de la santé et des matériaux.

Le graphène est un matériau en deux dimensions, un cristal constitué d’atomes de carbone agencés en hexagones. Dans la nature, l'empilement de couches de graphène forme le graphite, que l'on rencontre couramment dans les crayons. Enroulé sur lui-même, il forme les nanotubes. Flexible, léger, ultrarésistant, transparent, excellent conducteur, imperméable à de nombreux gaz, le graphène a des qualités électroniques et mécaniques qui lui ouvrent de nombreuses pistes dans les domaines des nanotechnologies et des sciences des matériaux.

Pour l'instant, sa structure peu modulable limite ses applications et ses performances et sa production reste très problématique et onéreuse. Le principal obstacle à franchir est donc la synthèse de la molécule de graphène elle-même, selon des procédés rentables. Des recherche cherchent à mettre en point des analogues organiques du graphène, avec les mêmes propriétés, mais plus faciles à produire. Pour une étude publiée dans Nature Chemistry, la méthode de synthèse mise au point devrait permettre la conception d’autres analogues organiques du graphène, ce qui constitue un enjeu majeur en chimie des matériaux.

Le graphène et l'électronique

Le graphène n'est ni un métal ni un semi-conducteur, ce qui laisse la possibilité de lui conférer différentes propriétés. Par exemple, obtenir une surface transparente, flexible et conductrice. Cela ouvre ouvre la voie à l’électronique souple, aussi bien pour les écrans des téléphones portables et des tablettes que pour le secteur textile. Grâce à la mobilité des électrons dans le graphène, qui se propagent cent fois plus rapidement que dans le silicium, ce matériau conducteur peut révolutionner le domaine de l'électronique rapide. Pour des systèmes de détection, par exemple ceux des pare-chocs dédiés au respect automatique des distances de sécurité, ou pour des applications sans fil telles que les télécommunications à haut débit, les communications par satellite, les radars et la photodétection en astrophysique.

Il est possible aussi de créer des dispositifs hybrides, associant par exemple étain et graphène, qui peuvent devenir supraconducteurs à partir de l'application d'une tension électrique. Avec cette nouvelle propriété, le courant se déplace sans perte, ce qui pourra servir notamment à la conception des ordinateurs quantiques, importante avancée attendue dans le domaine du traitement de l'information.

Le graphène et l'énergie

Sous sa forme de minces feuillets, le graphène sert au développement du photovoltaïque. Grâce à sa transparence, sa flexibilité et son excellente conductivité, le graphène peut remplacer dans la fabrication des électrodes des cellules solaires, l’actuel oxyde d’indium-étain, un matériau rare et toxique.

De même, ses propriétés électriques pourraient lui permettre de remplacer le carbone dans les batteries lithium-ion, qui alimentent la plupart de nos appareils électroniques. Enrichies en graphène, la conductivité des électrodes est améliorée, en plus d'augmenter la quantité d'énergie maximale emmagasinée et la durée de vie de la batterie.

Les supercondensateurs, de leur côté, pourraient recharger un téléphone portable en quelques secondes. Les surfaces poreuses des électrodes étant actuellement composées de charbon en poudre, les réaliser avec des nanofeuillets de graphène permettrait d’obtenir une plus grande capacité de stockage des ions. À plus long terme, l'hydrogène des piles à combustible pourrait être emmagasiné dans les feuillets de carbone du graphène plutôt que dans des bonbonnes sous pression. Cela permettrait d'atteindre un meilleur rendement, d'améliorer sans doute la sécurité et de diminuer le coût.

Le graphène et la santé

Avec sa large surface de contact, le graphène est très efficace pour détecter la présence des gaz. Associée à sa conductivité électrique, cette propriété permettrait de détecter une seule molécule de gaz parmi un milliard d’autres, avec l'avantage pour les capteurs de fonctionner à température ambiante. La détection sensible de la pollution sera utile pour sa santé des villes et des campagnes, en aéronautique et en médecine.

Grâce à sa propriété encore mal comprise de s'accumuler dans les tumeurs, le graphène pourrait être utilisé pour cibler les cellules cancéreuses. Soit pour les rendre visible par imagerie photoacoustique en liant les particules de graphène à de l'or, soit pour détruire spécifiquement les cellules malades en chauffant les particules de graphène. En plus de diagnostiquer et traiter les cancers, le matériau pourrait aider à l'ingénierie tissulaire, en accélérant la différenciation de cellules souches en cellules spécialisées.

Le graphène pourrait aussi révolutionner le domaine la désalinisation de l’eau de mer, en permettant à l'eau de mer de passer à travers une membrane extrêmement fine.

Le graphène et les matériaux

Deux cents fois plus résistant que l’acier mais six fois plus léger, et encore plus lorsqu'il fait partie de matériaux composites, le graphène pourrait se substituer à certains métaux. Par exemple, pour la construction d’avions plus légers donc moins coûteux et moins gourmands en énergie. En outre, de tels composites permettent de mieux évacuer le courant, ce qui évite d'ajouter une protection métallique supplémentaire pour évacuer la foudre. Là encore, gain de poids donc moins d'énergie consommée.

En savoir plus

Le graphène superstar, CNRS Le Journal (4 épisodes)

Les prouesses de l'électronique flexible, Sciences et Avenir

Des polymères organiques pour remplacer le graphène, Pour la Science

Arthur Jeannot
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