La préfecture de Yamanashi, au Japon, abrite une ligne de chemin de fer 42.8 kilomètres de d’un type très particulier, baptisée Chuo Shinkansen. C’est là qu’en avril 2015, un train a atteint la vitesse record de 603 km/h. Cette prouesse  s’inscrit dans les efforts de la Central Japan Railway Company pour accélérer les liaisons entre la capitale Tokyo et les grandes villes de Nagoya ainsi que d’Osaka. D’ici 2027, un vaste réseau transportant les passagers à 500 km/h permettra de parcourir les 300 kilomètres entre Tokyo et Nagoya en 40 minutes. Puis, la ville d’Osaka plus à l’est devrait être alimentée avant 2040. Ces vitesses sont atteintes grâce à la nature des rails, qui n’en sont pas vraiment.  Les trains, appelés SCMaglev, « superconducting magnetic levitation train », ne se déplacent pas sur le sol. Ils sont projetés vers l’avant en lévitant quelques centimètres au-dessus par de puissants champs magnétiques.

Le SCMaglev japonais et ses “rails”

Créer un champ magnétique n’est pas très compliqué. En effet, tout fil de fer parcouru par un courant électrique génère un champ. Cependant, générer des champs magnétiques capables de soulever et propulser un train requiert énormément d’électricité. Pour répondre à ce besoin, une fascinante propriété des matériaux est utilisée : la supraconductivité.

 

La supraconductivité est un phénomène connu depuis le début du XXème siècle, mais difficilement explicable. Concrètement, sous une certaine température extrêmement basse appelée température critique, certains matériaux cessent subitement d’opposer toute résistance au passage de l’électricité et expulsent tout champ magnétique. La résistance électrique d’un matériau est normalement variable selon qu’il soit un bon conducteur ou pas. Cependant, même les meilleurs conducteurs opposent toujours une résistance, qui provoque la transformation de l’énergie électrique en chaleur. Il y a donc non seulement des pertes d’énergie, mais aussi une limite à la puissance du courant, car le matériau est susceptible de fondre en cas de surchauffe. La résistance zéro au courant permet donc d’augmenter considérablement l’intensité de courant pouvant passer par un matériau, et ce sans aucun échauffement et aucune perte. En bref, on peut transporter beaucoup plus d’électricité dans des plus petites câbles.  La supraconductivité est aujourd’hui utilisée dans plusieurs domaines. Elle permet de créer le puissant champ magnétique des trains SCMaglev, des appareils d’imagerie médicale IRM et de l’accélérateur de particules du CERN en Suisse, entre autres. Un câble supraconducteur pouvant transporter 5 fois plus d’électricité qu’un câble de cuivre classique alimente depuis 2014 le centre-ville d’Essen, en Allemagne. Les possibilités sont immenses : des réseaux électriques entiers, batteries et appareils plus petits, efficaces et sans perte de courant, des ordinateurs considérablement plus puissants, un meilleur transport… Elon Musk lui-même inclut l’utilisation des matériaux supraconducteurs dans un projet follement ambitieux : l’Hyperloop. Le PDG de Tesla Motors et SpaceX, figure emblématique de la Silicon Valley, imagine un système de tubes suspendus propulsant des capsules de Los Angeles à San Francisco à plus de 1000 km/h !

L’hyperloop imaginé par Elon Musk

Malgré un potentiel certain, la supraconductivité peine toujours à quitter les laboratoires et projets extravagants pour se démocratiser. Le premier matériau dont les propriétés supraconductrices furent découvertes est le mercure en 1911, suivi d’autres éléments métalliques tels que le plomb et l’étain. Ces matériaux doivent refroidir à seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu, soit des valeurs de l’ordre de -270 degrés Celsius ! Par exemple, l’alliage métallique de Niobium-Titane utilisé dans les SCmaglev japonais devient supraconducteur sous les -264° Celsius. Atteindre et maintenir les températures critiques constitue donc un défi technique en soi. Le système de refroidissement est encombrant, et surtout s’avère très couteux. Ce refroidissement est un obstacle qui a freiné l’expansion de la technologie, qui est encore très difficilement rentable aujourd’hui. Il faudra attendre 1986 pour relancer l’engouement pour les supraconducteurs,  avec la découverte de matériaux qui n’opposent pas de résistance au courant à des températures plus hautes, jusqu’à -135° Celsius. Des températures toujours extrêmement froides mais plus faciles, et surtout beaucoup moins onéreuses à atteindre. Le record actuel de température critique est de -70° C, atteint à l’université de Mainz.

Le succès  futur et l’expansion des supraconducteurs reposent donc sur deux choses : L’amélioration des techniques de refroidissement, ainsi que la synthèse de matériaux à la température critique toujours plus haute, mais assez résistants pour une utilisation hors des conditions expérimentales. Aujourd’hui la technologie est assez mature pour utilisation dans certains cas spécifiques uniquement. Certaines entreprises comme Nexans, fournisseur du câble d’Essen, commercialisent déjà du matériel électrique supraconducteur depuis plus de 10 ans. Néanmoins  le prix reste prohibitif dans la plupart des cas. Il faudra encore beaucoup de progrès pour voir les supraconducteurs révolutionner notre quotidien.

Sources:

Woodford, Chris. (2007/2017) Electric Motors. Retrieved from http://www.explainthatstuff.com/electricmotors.html

Woodford, Chris. (2008) Superconductors. Retrieved from http://www.explainthatstuff.com/superconductors.html

Institut de physique du CNRS, La Supraconductivité http://supraconductivite.fr/fr/index.php?p=infos-credits#supra-intro

Yoshiyuki Kasai, Superconducting Maglev a Revolutionary Concept

http://www.huffingtonpost.com/yoshiyuki-kasai/superconducting-maglev-a-_b_971425.html

Johannes Gutenberg University Mainz, Hydrogen sulfide loses its electrical resistance under high pressure at minus 70 degrees Celsius

http://www.uni-mainz.de/presse/19539_ENG_HTML.php

Timothée Vilars, Nexans veut devenir le leader du câble supraconducteur
https://www.lesechos.fr/03/11/2014/LesEchos/21806-097-ECH_nexans-veut-devenir-le-leader-du-cable-supraconducteur.htm#W99QuHxtGMZOX0Kz.99

Denise Chow, Can Elon Musk’s Superfast ‘Hyperloop’ Transit System Really Be Built?

http://www.livescience.com/38835-hyperloop-elon-musk-transportation-system.html