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Le dossier du maître d'ouvrage
Le dossier du maître d’ouvrage aborde les grands champs du sujet qui structurent le débat.
Dossier du Maître d'ouvrage - Partie 2
Le maître d'ouvrage
L’électronique et les technologies de l’information
L’internet, le téléphone, le multimédia, le GPS, l’électroménager, l’automobile et l’électronique médicale, qui font partie de notre vie courante, comportent des systèmes électroniques avancés et des dispositifs de traitement et de communication de l’information. À la base de ces technologies, se trouve la microélectronique, technologie générique basée sur l’utilisation du silicium, qui évolue depuis quelques années vers la nanoélectronique.
De la microélectronique à la nanoélectronique
Le transistor est le composant actif fondamental en électronique. Il est utilisé principalement comme interrupteur pour le traitement des signaux électriques (amplification, filtrage, stabilisation, modulation, etc.). Les premiers transistors, construits dans les années 1950, pesaient plusieurs kilos pour une taille d’une dizaine de centimètres. Depuis, leur taille s’est considérablement réduite selon la loi dite de Moore.
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Ordinateurs : années 1950 (collossus), années 1980 (premier
ordinateur à microprocesseur) et années 2000 (ordinateur portable
standard)
En informatique, les composants n’ont cessé de
réduire en taille et d’augmenter en performances. En 60 ans, la
puissance des ordinateurs est passée de quelques opérations par seconde
à plusieurs milliards (quelques millions de milliards pour les
supercalculateurs). Si la miniaturisation a des limites, de nouvelles
méthodes de fabrication par assemblage d’atomes devraient toutefois
permettre de réduire encore la taille des transistors à celle d’une
molécule. Elles ouvriront la voie à un nouveau champ de la
nanoélectronique, l’électronique moléculaire.
L’innovation technologique en électronique a pris de l’ampleur à partir
du moment où les transistors ont été intégrés en très grand nombre au
sein d’un seul composant, le microprocesseur (ou puce). De là, est née une nouvelle industrie, la microélectronique, qui a
connu une très forte croissance au cours des trente dernières années.
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Elle s’est développée pour intégrer toujours plus de transistors, de dimensions de plus en plus réduites, pour des capacités de traitement toujours plus importantes : puissance de calcul, mémoire, nouvelles fonctionnalités pour davantage d’applications.
Or, depuis 2004, la taille des transistors est passée en dessous des 90 nanomètres de largeur. À l’échelle actuelle (32 nm), les lois qui régissent le fonctionnement des puces électroniques ne sont plus celles de la physique classique : des effets apparaissent avec des propriétés nouvelles.
Si la
microélectronique s’est développée suivant une approche visant à réduire la taille des transistors pour réaliser des composants intégrés de plus en plus complexes, la recherche explore désormais des méthodes de fabrication par assemblage d’atomes selon une
approche ascendante dite « bottom-up » . Un nouveau champ de l’électronique pourrait ainsi être celui de l’utilisation de molécules comme transistors élémentaires ouvrant ainsi la voie vers l’électronique moléculaire.
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REPERE : Le transistor
Le transistor, constituant principal des
ordinateurs, fut découvert en 1947 par des chercheurs américains de la
compagnie Bell et leur valut le prix Nobel de physique en 1956.
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DEFINITION : Des nano et des giga
Le préfixe giga, multiplicateur par un milliard, est couramment
utilisé pour désigner la capacité de stockage d’un disque (en
gigaoctets) ou la fréquence d’horloge des calculateurs (en gigahertz)
qui contribue à leur vitesse de calcul.
Nos ordinateurs ont atteint une puissance gigamétrique parce que les composants qui les constituent ont atteint une nanotaille.
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DEFINITION : La microélectronique au service des prévisions météo
Les prévisions météorologiques comptent au rang des applications qui
ont largement bénéficié des nouvelles puissances de calcul obtenues
dans les années 1980. La modélisation de la météo à plus d’une semaine
nécessite en effet une prise en compte d’un très grand nombre de
facteurs (océans, météo de l’hémisphère opposée, etc.). Pour gagner en
précision, elle exige donc une grande capacité de mémoire et de calcul,
rendue possible par les performances sans cesse meilleures des
ordinateurs.
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La loi empirique de Moore
En 1965, Gordon Moore, ingénieur et cofondateur
d’Intel, constate que la complexité des semi-conducteurs proposés dans
les ordinateurs d’entrée de gamme double tous les ans, à coût constant
depuis 1959, date de leur invention. En 1975, il estime que, grâce au
progrès de la photolithogravure, le nombre de transistors des
microprocesseurs sur une puce de silicium a de fortes chances de
doubler tous les deux ans. Cette prédiction s’est révélée jusqu’à
présent exacte. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé
tous les 18 mois et les ordinateurs sont de plus en plus puissants. En
1965, le circuit le plus performant comportait 64 transistors. En 2007,
ce chiffre a atteint le milliard.
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La révolution de la magnétorésistance géante (GMR)
En 1957, la capacité des premiers disques n’était que de 5 mégaoctets ; aujourd’hui, elle avoisine le téraoctet (un million de fois plus importante). Ces performances n’auraient jamais été atteintes sans l’effet de magnétorésistance géante (GMR). Cette découverte a ouvert un nouveau champ scientifique : la spintronique. Son impact dans la technologie de l’information est déjà considérable. Les capacités de stockage et de rapidité de lecture des disques durs ont été modifiées très significativement : la densité d’informations est augmentée d’un facteur 100 et l’efficacité énergétique accrue.
L’émergence de la GMR, et sa forme plus achevée et quantique, la TMR (Tunnel Magnéto-Résistance), ont permis le développement de dispositifs de très petite taille, aujourd’hui utilisés couramment, comme les mémoires Flash et les lecteurs MP3.
DEFINITION : Téraoctet
Un Téraoctet (To en français, TB pour terabyte en anglais) est égal à
mille milliards d’octets, soit un billion (attention, à ne pas
confondre avec le terme anglais billion qui, lui, correspond à notre
milliard). |
REPERES : La spintronique
La magnétorésistance géante (Giant Magneto-Résistance, GMR) est une
découverte majeure d’Albert Fert (université de Paris sud - Orsay) et
de Peter Grunberg (centre de recherche de Jülich en Allemagne) en 1988.
Elle leur a valu de recevoir le prix Nobel de physique en 2007 et a
ouvert le champ de la spintronique.
La magnétorésistance géante est un effet quantique observé dans les
structures de films d’épaisseurs nanométriques, composées d’une
alternance de couches ferromagnétiques et de couches non magnétiques.
En appliquant un champ magnétique externe, on peut changer la
polarisation du spin des électrons (le sens de rotation des électrons
sur eux-mêmes) et coder ainsi l’information. La précision de cette
opération autorise une densité de stockage très importante.
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EXPLICATION : Cryptographie classique et cryptographie quantique
Les méthodes de cryptographie actuelles utilisent un principe
mathématique de cryptage basé sur l’utilisation de nombres premiers de
très grande taille.
La cryptographie quantique, elle, exploite le fait qu’en physique
quantique il n’est pas possible d’observer un système sans le perturber
de façon irrémédiable : si un système quantique est utilisé comme
support d’information, son interception se traduira forcément par sa
perturbation, puisque l’espion est forcé de l’observer.
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Albert Fert et Peter Grünberg, deux figures incontournables de la
nanoélectronique, récompensés en 2007 par le prix Nobel de physique
pour leur découverte de la magnétorésistance géante (Giant
Magneto-Résistance - GMR) en 1988.
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Téléphone mobile et nanotechnologies
La spintronique s’apprête à réduire encore la taille des composants et l’énergie consommée par les téléphones portables. Ces derniers constituent actuellement l’un des principaux marchés de la nanoélectronique. Il s’agit désormais de repenser ce qui devient en fait un terminal mobile, dont le téléphone n’est que l’une des fonctionnalités, pour répondre à une meilleure autonomie et toujours plus de fonctions (multimédia, GPS…). On pourrait ainsi s’acheminer vers des terminaux que l’on pourra porter au poignet.
La cryptographie quantique au service d’une exigence croissante de confidentialité
Le développement des télécommunications et des échanges d’information sous forme électronique, au cours des vingt-cinq dernières années, a fait sortir la cryptographie des seuls domaines militaire et diplomatique. En effet, si chacun veut continuer à échanger des données – y compris ses coordonnées bancaires – à partir d’un nombre croissant de serveurs, par internet notamment, le cryptage des informations devient un enjeu majeur. Toutefois, la cryptographie, qui permet de garantir la confidentialité et l’intégrité des échanges d’information, ne peut plus se contenter d’algorithmes dont le déchiffrement est possible avec, certes, un temps de calcul informatique considérable.
| Dans ce domaine aussi les nanotechnologies permettent des avancées. La cryptographie quantique,
qui a vu ses premières applications apparaître dans les années 2000,
permet en effet l’échange, sur des réseaux optiques, de clés de
chiffrement dont la sécurité est assurée par les lois de la physique
quantique. Cette première application de la théorie quantique de
l’information pourrait être suivie par d’autres, notamment dans le
domaine du calculateur quantique, sur lequel les laboratoires en
nanosciences mènent actuellement des recherches actives.
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Des matériaux nanostructurés permettent d’imaginer des panneaux voltaïques dont le rendement serait amélioré et le coût abaissé.
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L’énergie
Le développement durable est un enjeu du XXIe siècle : comment assurer le développement économique répondant aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ? Pour y parvenir, il faut pouvoir notamment accroître l’efficacité énergétique de la société et assurer une production d’énergie moins dépendante des ressources fossiles, moins polluante et qui mette à profit des ressources renouvelables.
Cela passe notamment par la réduction de la consommation des logements, des véhicules, des appareils électriques et le déploiement d’un bouquet diversifié axé sur des énergies durables (renouvelables, partiellement recyclables ou consommant le moins possible de ressources).
Les nanotechnologies figurent parmi les solutions envisagées aujourd’hui dans de nombreux secteurs économiques, en particulier ceux des transports et du bâtiment, et dans le développement de systèmes de production, de conversion et de stockage d’énergie qui permettent à notre société de relever ces défis.
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REPERES
Un enjeu du XXIe siècle
Selon les prévisions de l’Agence internationale de l’énergie, la
demande d’énergie primaire devrait croître de presque 60 % d’ici à
2030, correspondant, à technologies constantes, à une hausse du même
ordre de grandeur des gaz à effet de serre.
Le groupe 1 du Grenelle environnement a rappelé la réalité
incontestable du changement climatique et de ses impacts, ainsi que
l’épuisement à venir des ressources fossiles.
La France s’est engagée pour la division par quatre de ses émissions de gaz à effet de serre d’ici à 2050.
Les objectifs fixés par le Conseil européen permettent de mettre en
place les étapes intermédiaires à l’horizon 2020 : réduction de 20 %
des gaz à effet de serre, baisse de 20 % de la consommation d’énergie,
et augmentation jusqu’à 20 % d’énergies renouvelables dans la
consommation d’énergie globale.
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ILLUSTRATION
Cellules photovoltaïques
Plusieurs voies de recherches sont en cours d’études pour réduire le
coût des cellules photovoltaïques et en augmenter l’efficacité :
* dépôts successifs de couches d’épaisseurs nanométriques ;
* emploi de silicium possédant une structure interne nanostructurée ;
* emploi d’autres minéraux que le silicium, voire des molécules biologiques mimant la photosynthèse des plantes ;
* dopage de cellules de silicium par l’incorporation en très faible concentration d’éléments chimiques (manganèse par exemple).
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DÉFINITION
Les piles à combustibles produisent de
l’électricité en convertissant de l’hydrogène et de l’oxygène en eau.
Inventées au milieu du XIXe siècle, leur utilisation reste limitée en
raison du coût élevé de leur composants (elles utilisent du platine et
d’autres métaux) et de la difficulté à produire de l’hydrogène à des
coûts économique et énergétique corrects. Les applications potentielles
majeures sont la voiture électrique, les batteries et l’alimentation
des objets électriques nomades.
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Réduire l’énergie consommée dans le bâtiment et les transports
La maison à énergie positive de demain respectera les demandes de ses occupants (confort, loisir, bien-être) tout en optimisant la consommation et la production d’énergie. Dans cette vision, les nanotechnologies amènent des innovations majeures. On peut en effet envisager une alimentation en énergie solaire efficace, en améliorant le rendement des panneaux photovoltaïques, tout en réduisant l’effet sur l’environnement et en diminuant les coûts.
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Des nanofils de silicium dans les futures cellules solaires Source CEA.
Beaucoup d’espoirs sont fondés sur les sources
d’énergie durables. Or, aujourd’hui, le rendement moyen des cellules
photovoltaïques utilisées dans les panneaux solaires courants est de
l’ordre de 5 à 10 %. Même dans les procédés très coûteux, réservés à
des applications comme celles du secteur aérospatial, leur rendement ne
dépasse pas 20 %. Ce faible rendement s’explique par le fait que les
cellules, composées de silicium massif, n’absorbent utilement qu’une
fraction des rayons lumineux qui composent la lumière.
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Des chercheurs envisagent de dépasser cette limite et de tirer un meilleur parti de cette source d’énergie renouvelable. Ils s’appuient, pour cela, sur le fait qu’à une échelle de nanostructuration, certains matériaux sont capables d’absorber l’ensemble du spectre solaire. À l’état de nanofils, un matériau comme le silicium absorbe, par exemple, des couleurs différentes du spectre en fonction de son diamètre. Un empilement constitué de nanofils de différents diamètres, dans des arrangements particuliers, pourrait donc absorber la totalité du spectre solaire et permettre un rendement des cellules voltaïques de demain d’au moins 50 %.
De même, on peut imaginer de gérer l’intermittence de certaines sources d’énergie (solaire, éolienne…) grâce à des systèmes de stockage (batteries) dont les performances et la durée de vie seront augmentées grâce aux nanocomposites lithium. La production locale d’énergie sans connexion au réseau d’électricité pourrait être généralisée par des piles à combustible utilisant des nanomatériaux.
L’isolation des bâtiments, quant à elle, pourrait être renforcée par l’utilisation de nanomatériaux ultraporeux ou à changement de phase (qui absorbent l’excès de chaleur dans la journée et la restituent la nuit ou quand il fait froid). Enfin, la nanoélectronique pourrait être sollicitée pour mettre en œuvre le concept d’intelligence ambiante (avec des réseaux de capteurs et moteurs électriques miniaturisés) au service d’une gestion optimale des ressources.
Les nanotechnologies sont amenées aussi à jouer un rôle dans le secteur automobile afin de rendre les véhicules plus légers et donc plus sobres en énergie.
Pour l’éclairage, les diodes électroluminescentes (LED) de nouvelle génération réduiront encore la consommation des lampes. L’évolution vers le véhicule électrique ou hybride du futur sera facilitée par les gains de performances et de coûts obtenus en intégrant des nanomatériaux dans le développement de nouvelles batteries et de piles à combustible, par exemple. Enfin, la voiture de demain bénéficiera de mémoires, de processeurs et de capteurs miniaturisés pour l’assistance à la conduite et verra les multiples éléments de son moteur sujets au frottement et à l’usure durer plus longtemps. Citons enfin l’amélioration attendue des pots catalytiques, des motorisations électriques et hybrides et des piles à combustible.
Dans le secteur aéronautique, les enjeux économiques, de fiabilité, de sécurité et d’environnement soutiennent une exigence d’innovation. Dans trois domaines clés (la physique de vol, les structures et les systèmes embarqués), on peut s’attendre à ce que les nanotechnologies aient un impact, amenant des ruptures sur des paramètres techniques souvent considérés comme inconciliables. Les applications concerneront notamment l’amélioration des performances de tous les matériaux métalliques et composites (gain de masse et fonctions accrues), les éléments autonettoyants ou autodégivrants fondés sur l’effet lotus , les moteurs et capteurs miniaturisés pour la surveillance de la structure, l’optimisation de l’écoulement du flux d’air à la surface de l’avion, une meilleure conductivité électrique…
Des batteries pour les futurs véhicules électriques
Les véhicules électriques offrent un fort potentiel d’économie d’énergie. On estime aujourd’hui que pour être viables commercialement, ils doivent pouvoir parcourir environ 300 km avec 100 kg de batteries. Des progrès considérables ont été réalisés dans les véhicules à traction hybride de première génération. Néanmoins, pour parcourir 300 km, il faut encore des batteries très volumineuses. Les batteries lithium-ion, utilisées pour les ordinateurs portables et les téléphones mobiles, ont permis de progresser avec un meilleur stockage ; malheureusement leur prix et leur durabilité restent incompatibles avec le marché de l’automobile. Le recours aux nanotechnologies permet d’envisager de les rendre plus performantes et abordables, notamment en associant des nanoparticules de lithium, de fer et de phosphate.
Vers une production d’hydrogène sans métaux nobles
L’hydrogène est un gaz non toxique qui permet de produire de la chaleur par combustion directe mais aussi de produire de l’électricité dans les piles à combustible (PAC), avec comme seul résidu de l’eau. Toutefois il n’existe pas en tant que tel dans la nature : il faut le produire. L’un des modes de production diurne est l’électrolyse de l’eau avec l’énergie électrique provenant des photopiles solaires. Un autre mode de production s’inspire, pour une large part, des réactions chimiques intervenant dans la photosynthèse chez les végétaux : sous l’effet de la lumière, certains micro-organismes produisent des dérivés de l’hydrogène à partir de l’eau.
Pour reproduire ces processus, les scientifiques ont recours notamment aux propriétés catalytiques de métaux nobles comme le platine. Mais, les réserves étant limitées, sa rareté et son prix constituent des freins au développement de cette méthode d’ailleurs gourmande en énergie. Une autre solution pourrait sortir des laboratoires. En 2007, des chercheurs sont en effet parvenus à produire de l’hydrogène en utilisant un catalyseur à base de cobalt avec une efficacité supérieure aux systèmes comparables à base de métaux nobles.
Différentes pistes, fondées sur l’utilisation de procédés à base de nanomatériaux, permettent d’imaginer, pour le futur, une réponse aux défis posés par les exigences du développement durable en ce début de XXIe siècle. Elles concourent à dessiner un monde où l’autonomie énergétique serait prépondérante à toutes les échelles : de l’individu à l’État, en passant par les régions et les villes.
DÉFINITION : Les diodes électroluminescentes
Les diodes électroluminescentes (LED) sont sans doute l’éclairage du
futur. Elles sont formées d’une succession de cristaux d’une taille
variable de 2 à 100 nm qui possèdent des propriétés électroniques et
optiques relevant de la mécanique quantique. En présence d’un courant
électrique, chaque cristal est excité et désexcité en émettant un rayon
lumineux : du bleu pour les petits cristaux au rouge pour les plus
grands, ce qui permet, par combinaison, de recréer la lumière blanche. |
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EXPLICATION
La réduction des frottements et une meilleure lubrification des
pièces mécaniques permettent de réduire les consommations en carburant.
Les chercheurs du laboratoire CEA-LITEN ont ainsi réalisé un nouveau
revêtement nanostructuré qui contribue à préserver de l’usure les
pièces de moteur.
Il combine une sous-couche dure obtenue par voie physique et un
revêtement DLC (Diamond Like Carbon), superglissant, qui incorpore des
motifs en surface afin de créer des microréservoirs de lubrifiant.
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Nanopoudres et batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion, déjà utilisées pour les
ordinateurs portables et les téléphones mobiles, et des associations de
nanopoudres de lithium, de fer et de phosphate permettront de réduire
la taille des batteries.
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De multiples applications des nanotechnologies devraient dessiner les nouvelles caractéristiques des voitures de demain.
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ILLUSTRATION
Tirer parti de la biomasse
L’une des méthodes utilisées pour transformer cette biomasse en
biocombustibles avait déjà été employée durant la Seconde Guerre
mondiale par les Allemands, pour produire de l’essence et du fioul à
partir du charbon et du bois.
Aujourd’hui, la gazéification à haute température (800-1 000 °C), qui
permet d’obtenir un gaz de synthèse ensuite transformé par des
réactions catalytiques en biocombustibles comme le diesel, est grande
consommatrice d’énergie. Il est donc envisagé d’utiliser des
nanoparticules qui permettraient d’augmenter la réaction catalytique et
donc l’efficacité du procédé.
Une autre voie, plus exploratoire pour l’heure, consisterait à
concevoir des nanocomplexes organométalliques comme catalyseurs de
photosynthèse artificielle qui, par analogie avec la synthèse
chlorophyllienne des végétaux, permettraient la production de
biocarburants.
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