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Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient ...

Du champagne supersonique

Physique du bouchon de champagne

Tout le monde le sait, lorsqu’une bouteille de champagne est débouchée, le bouchon est souvent violemment propulsé… ce qui peut être dangereux s’il percute l’œil. La raison pour laquelle le bouchon saute à environ 50 km/h vient ...

Le matériau le plus noir du monde

Si vous pensiez qu’obtenir un noir intense était chose facile, vous vous trompiez. Depuis de nombreuses années, artistes et scientifiques cherchent la formule du véritable noir, ou du moins à s'en approcher. Par noir véritable, entendez une surface qui ne renverrait aucun rayon lumineux. Actuellement, ...

Organes sur puce, vers un futur bionique ?

Imaginez une puce tenant dans la main qui renfermerait un micro-poumon ? Science fiction ? Fantasme de savant fou ? Absolument pas, il s'agit de choses bien réelles et déjà brevetées ! Apparus courant 2010, les organes sur puce ...

50 ans de Lune

© NASA, 1968

Apollo, conquête spatiale et apports scientifiques

"Un petit pas pour l'homme, mais un grand pas pour l'humanité", les mots de Neil Armstrong sont restés dans l'Histoire, comme l’empreinte de la chaussure de Buzz Aldrin restera sur la Lune pendant des milliers d’années.
L'exploration de la Lune fut l'objet d'un enjeu politique et technologique majeur du XXe siècle, mais le coût financier exorbitant (150 milliards de dollars pour le programme Apollo, l'équivalent du coût de l'ISS pour 5 agences spatiales sur 20 ans) aura raison de ces projets à la fin des années 70, et ce malgré d'importantes retombées scientifiques.
Les analyses des échantillons récoltés révélèrent en effet une étrange similarité entre la composition isotopique des roches lunaires et celles de notre planète, avec une quantité notable d'éléments réfractaires (à haute température de vaporisation) sur notre satellite. Ces analyses viennent étayer l'hypothèse de « l'impact géant », qui suppose la collision d'un planètoïde de la taille de Mars avec la Terre, aboutissant à la formation de la Lune par accrétion des débris il y a 4,5 milliards d'années.
Cependant, ces échantillons ne sont pas représentatifs de la totalité de la Lune, sur laquelle de nombreuses zones restent inexplorées.
 

La course reprend, les découvertes aussi

Or, ces données sur les ressources et l'exploitabilité de la Lune sont cruciales dans le contexte moderne. Depuis les années 1990, ce sont donc des sondes qui ont repris l'exploration.
Avec la détection de glace au fond des cratères polaires par la sonde américaine Lunar Reconnaissance Orbiter en 2009, la possibilité d'utiliser l'eau et l'oxygène lunaire pour ravitailler les futurs explorations spatiales, voire de fabriquer directement les ergols de propulsion (hydrogène et oxygène liquides) a fait son chemin dans l’esprit des scientifiques, pour qui la face cachée et les pôles sont les nouveaux horizons de l’exploration lunaire.
Ainsi, l'alunissage du rover chinois Chang'e-4 sur la face cachée, en janvier 2019 devrait permettre d’en savoir plus sur l’exploitabilité des ressources de la Lune. Le retour des échantillons est prévu en fin d'année.

La Lune, tremplin de l'exploration spatiale

Tandis que des sondes et des atterrisseurs partent pour Mars, la NASA prépare la capsule Orion et la mission Artemis, qui prévoit de placer un équipage en orbite lunaire dans les années 2020 et de retourner sur son sol en 2024.
En associant cette capsule habitable au projet de Lunar Orbital Platform – Gateway, sorte d'ISS orbitant autour de la Lune, les Américains ont pour ambition de créer une véritable usine déstinée à la fabrication d'engins spatiaux, en prospectant le sol lunaire. Elle fera aussi office de base arrière de secours pour toute future installation humaine permanente, comme l’ambitieux « Moon Village » de L’ESA, sur le pôle Sud lunaire. Ces missions sont aussi des test d’autonomie, afin de préparer les futurs grandes expéditions vers Mars, qui seront longues de plusieurs années et où les astronautes seront appelés à décider et à agir seuls.

Pour en savoir plus sur la Lune: Histoire, projets à venir, sciences

 

Représentation d'artiste de la station Gateway et du vaisseau Orion en approche.

Représentation d'artiste de la station Gateway et du vaisseau Orion en approche.

© NASA

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Le verre se met au vert
Les contraintes environnementales représentent un défi qui pousse l'industrie du verre à innover

Production du verre - Domaine public

Le verre, un matériau traditionnel innovant

La production du verre est une activité millénaire, d’abord artisanale, puis industrielle. S’il existe différents types de verres qui se distinguent par leurs compositions, leurs formes, leurs propriétés, un de leurs points communs est d'avoir un procédé de fabrication très énergivore.

En effet, dans tous les segments de l’industrie verrière (verre plat, verre creux, verres techniques, etc.), la première étape de production du verre consiste dans la fusion, à une température d'environ 1 000°C d’un mélange dit « vitrifiable », constitué de silice et de fondants comprenant principalement des alcalins (sodium, calcium)  (70 % de silice, 15 % d'oxydes de sodium, 10 d'oxyde de calcium plus d'autres additifs minoritaires dans les verres silicosodocalciques tel le verre à bouteille). Cette première étape requiert une grande quantité d’énergie. Elle est suivie par différentes opérations qui nécessitent d'augmenter encore la température au-delà de 1 400°C pour réaliser « l'affinage » (élimination des bulles gazeuses).  Les opérations restantes servent à préparer le verre à son formage, puis au traitement de surface, et au parachèvement, etc. Ces procédés sont maîtrisés par des entreprises parfois très anciennes, qui innovent en permanence pour apporter à ce matériau toujours plus de fonctionnalités, à des coûts maîtrisés. Par exemple, des dépôts multicouches à la surface du verre rendent les vitrages « intelligents » : ils répondent à une sollicitation extérieure, comme c’est le cas pour les vitrages électrochromes dont la transmission lumineuse peut être contrôlée électroniquement.

Défis environnementaux et innovations

Aujourd’hui, l’un des défis majeur du secteur verrier est de diminuer sa consommation énergétique et ses impacts environnementaux, sous la pression des législations et des normes parfois encore plus exigeantes que fixent les acheteurs industriels. D’autant que l’empreinte carbone du verre est liée non seulement à la combustion de combustibles fossiles nécessaire à l’étape de fusion, mais aussi aux émissions de CO2 dues au procédé lui-même (schématiquement : SiO2 + CaCO3 +Na2CO3 -> SiO2.CaO.Na2O + CO2). A 1400 °C, ces émissions s’élèvent à environ 200 kg de CO2 par tonne de verre. L’intégration de 25 à 30 % de calcin issu du recyclage du verre, tend à diminuer l’empreinte carbone des verres recyclés.

De nombreuses pistes d’innovation sont explorées actuellement pour réduire l’empreinte environnementale des procédés verriers : par exemple la mise au point de capteurs permettant un meilleur suivi de la combustion dans les fours, plus généralement l’amélioration du rendement de ces fours, la filtration des émissions, l’ajustement de la composition du mélange vitrifiable visant à faire diminuer la température de fusion (tout en respectant bien sûr les contraintes de qualité), etc.. Déjà employé dans certains procédés verriers, le four électrique fait l’objet de recherches, même si le gaz semble avoir de beaux jours devant lui, quitte à ce qu’il soit du biogaz.

La chimie, la thermodynamique, le génie thermique et le génie des procédés, ainsi que la simulation sont mises à contribution pour tenter d’apporter une réponse technique à ces enjeux industriels. L’augmentation du prix du carbone, lequel traduit d’un point de vue économique l'impact environnemental que représentent les émissions de gaz à effet de serre, devrait jouer un rôle incitatif dans cette tendance de fond dans laquelle les industriels s'engagent.

Publié le 21/01/2019

Librement inspiré par une matinée de conférences à Mines ParisTech organisée par USTV et Carats Innovation. En remerciant Dr Franck Pigeonneau pour ses conseils.

En savoir plus
Le portail de l'industrie du verre http://www.verreonline.fr/index.php

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