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Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

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La foudre bat des records

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Un moteur quantique
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Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

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Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

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Mercure et environnement
Les activités humaines auraient conduit à une forte augmentation du mercure dans le milieu naturel.

Un comité international de scientifiques a produit une évaluation mondiale du mercure pour l'UNE (Nations Unies pour l'environnement). Le rapport de 2018 démontre une augmentation significative du mercure dans l'atmosphère avec une hausse d'environ 450 % par rapport aux niveaux naturels (prévalant avant 1450) et à une augmentation moyenne des dépôts de mercure vers les océans et les sols de 300 % .

Le mercure et l'environnement

Le mercure élémentaire gazeux (Hg0), aussi appelé "mercure métallique", est émis dans l’atmosphère par des sources naturelles et par des sources anthropiques. La seule source naturelle primaire du mercure est volcanique, qu'elle soit terrestre (volcans) ou marine (sources hydrothermales). Le mercure circule à la surface de la terre transitant par dégazage des eaux de surface, plantes, et feux de forêt.

Le mercure est un polluant absorbé aussi bien par les écosystèmes terrestres que marins. De plus, son temps de séjour dans l'atmosphère est suffisamment long pour qu'il soit distribué à une échelle globale. Il est donc en mesure de contaminer des milieux très éloignés des lieux d'émission. Complexe, son cycle dans le milieu naturel fait intervenir plusieurs espèces chimiques organiques et inorganiques, et dépend de variables telles que la température, l’ensoleillement, la végétation et l'activité bactérienne.

Le cycle du mercure est semblable au cycle du dioxyde de carbone dans la mesure où il existe des émissions naturelles et des échanges entre l’atmosphère et l’océan. Durant le temps géologique, une grande partie du CO2 a été séquestrée par les plantes et enfouie dans les fonds terrestres et océaniques. Sa concentration est donc moindre à la surface de la Terre, dans l'atmosphère ou dans la mer. Les émissions de CO2 sont issues de la combustion des plantes, du charbon ou du pétrole et enrichissent à nouveau l'atmosphère et l’océan. C'est également le cas du mercure, dont une grande partie a été séquestrée et est aujourd’hui réémise.

La toxicité du mercure métallique (Hg0) dépend de sa forme physique : nocif lorsque ses vapeurs sont inhalées, il ne présente qu'un très faible danger sous forme liquide. Quant à la forme ionique du mercure, Hg2+, déjà toxique, elle peut se transformer en méthylmercure (CH3Hg+), une forme organique du mercure très répandue dans l'environnement et d'une extrême toxicité.

Le Dr. Lars-Eric Heimbürger-Boavida, océanographe chimiste du CNRS au MIO (Institut Méditerranéen d'Océanologie) explique que : «L’homme a ajouté, et continue à ajouter du mercure dans les océans. Les niveaux restent néanmoins très faibles, le mercure est même parmi les éléments les moins concentrés. On parle de picogrammes par litre. Les bactéries qui vivent dans l’océan transforment une partie de ce mercure en méthylmercure. Ce methylmercure se bioamplifie le long de la chaîne alimentaire d’un facteur 50 millions. C’est-à-dire qu’un prédateur comme le thon peut atteindre des niveaux de mercure de 1 mg/kg (la limite de vente en France étant de 0.5 mg/kg). Ce milligramme est dispersé dans 50 millions de litres d’eau de mer avant de s’accumuler dans le phytoplancton, puis le zooplancton, puis les petits poissons, tout en augmentant dans les niveaux et les proportions à chaque niveau de la chaîne alimentaire. »

Des évaluations mises à jour 

Tous les cinq ans, une équipe internationale de scientifiques est chargée par l’UNE d’une évaluation du bilan mercure, à l'échelle mondiale. Les chercheurs ont d'abord pensé que l'exploitation minière de l'argent dans l’Amérique du Sud, du XVIe à la fin du XIXe siècle (orpaillage), était la plus importante source d'origine humaine de mercure atmosphérique de l'histoire. Cependant, de récents travaux ont conduit à réviser à la baisse le rôle des émissions minières, en s'appuyant en particulier sur la géochimie du minerai d’argent et sur des documents historiques relatifs à l'utilisation du mercure.

Il résulte de cette réévaluation un bilan réajusté dans lequel les émissions de mercure dans l'atmosphère dues aux activité humaines ont entraîné une augmentation moyenne de 300 % des dépôts de mercure dans les continents et les océans, une augmentation de 230 % de la concentration en mercure des eaux marines de surface et de 12 à 25 % pour les eaux marines plus profondes . « Il est donc possible que le thon contienne aujourd’hui jusqu’à 3 fois plus de mercure à cause de nos émissions », ajoute le Dr. Lars-Eric Heimbürger-Boavida.

Afin de réduire et de limiter les incertitudes, les chercheurs ont également donné des indications de recherche spécifiques en prônant notamment une meilleure compréhension des processus fondamentaux du cycle du mercure et l'amélioration continue des inventaires des émissions de grandes sources naturelles et anthropiques : « On parle d'une augmentation du mercure par rapport aux niveaux naturels. Pour ce faire, il faudrait bien quantifier les apports naturels », précise le Dr. Lars-Eric Heimbürger-Boavida. C'est pour cette raison que les chercheurs prônent notamment une meilleure compréhension des apports naturels tels que les sources hydrothermales.

Publié le 05/12/2018

En savoir plus :

Sur le cycle du mercure:
http://envlit.ifremer.fr/content/download/28153/232653/file/fiche1.pdf
Sur le mercure dans l'océan: https://twitter.com/m3lab?lang=en
Sur l'évaluation : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b01246

Yassa HARBANE
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