Actualité Scientifique - 4

Recommençons en douceur, avec une petite collection de liens récents qui m'ont plu.

• Un très beau billet d'El Jj sur l'Hotel Hilbert, cette métaphore sur les paradoxes de l'infini que j'avais découvert il y a assez longtemps dans un Hors-serie de Science et Vie... et qui ne cesse de m'intriguer depuis.
  
  
• Tom Roud décrit une découverte vraiment fondamentale - comment obtenir des cellules souches sans détruire d'embryons. Un bon candidat pour un futur Nobel ! Je dois dire que je m'interroge un peu, une cellule-souche, quel que soit son mode de création, n'est-elle pas un embryon en puissance ? Enfin, les subtilités de la morale religieuse m'échappent surement.
  
  
• Le weather engineering en action, pour que les Jeux de Pekin ne soient pas un Nagano-bis. C'est la première fois, à ma connaissance, que c'est fait à cette échelle. S'achemine-t-on vers le geoengineering dont je parlais là ?
  
  
• La Thermoïonique est une technologie que je regarde de près pour son potentiel écologique. L'idée est de convertir de la chaleur en électricité, en utilisant un subtil effet quantique. évidement, aller contre la seconde loi de la thermodynamique se fait avec un faible rendement, mais c'est toujours mieux que rien. Et la nanotechnologie fait signicativement mieux que les tubes à vide d'Edison et Fleming.
  
  
• Un prix IgNobel qui trouve une application, c'est toujours émouvant. La science mesurait la vitesse du son dans le cheddar fondu (une étude dont j'ai déjà dit du bien), la technologie nous apporte un moyen non-invasif de mesurer le mûrissement des fromages.
  
  
• Finir par un point négatif est peut-être un manque de goût, mais cela permet aussi de mettre en valeur des nouvelles importantes. La recherche en physique fondamentale est sévèrement menacée aux USA et en Angleterre. Aux USA, il s'agit de faire des économies, le coût de la guerre en Irak, de la recherche liée à la Défense, et de la réduction des déficits, faisant passer au second plan un certain nombre de projets. Parmi eux, la participation amériaine à ITER et l'International Linear Collider, un projet complémentaire du LHC. C'est un euphémisme de dire que la communauté scientifique américaine est inquiète de la place de leur pays dans le futur de la Physique. Et en France ? Le budget global pour le finacement public de la recherche augmente mais la lisibilité n'est pas excellente. Un lecteur aurait-il plus de détails ?

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Bases scientifiques et financement à long terme

Un article intéressant sur le site web du MIT, à propos d'une conférence de Georges Whitesides (pour ceux qui se demanderaient, je n'y étais pas). Whitesides est un chercheur éminemment reconnu dans un grand nombre de disciplines. Je le connaissais comme un des pères fondateurs (si je puis dire) de la microfluidique, et il est aussi très important en biophysique.

Le sujet de l'article est la recherche autour de problèmes en science des matériaux comme le design de catalyseurs, le transport des électrons, la photosynthèse, les systèmes complexes, ou encore la chimie du dioxyde de carbone. Whitesides dit que l'approche top-down du monde de l'industrie, qui concentre énormément d'argent sur un problème particulier, n'est pas la bonne. A première vue, cela peut sembler être une approche pragmatique et efficace, concentrant les moyens pour résoudre une question. Mais d'après lui, It's like proposing the World Wide Web 50 years ago, before the invention of the transistor : il nous faut d'abord faire progresser les bases de la science pour que des solutions émergent. Il ajoute que tous ces sujets sont reliés à des questions du niveau de première année d'université, toujours mal comprises.

Ce qu'il faudrait, c'est un financement à très long terme (quelques décennies paraissent une éternité à l'échelle du temps industriel), stable, qui n'aurait pas besoin d'être aussi important. Whitesides said that unraveling photosynthesis could take another 50 to 100 years with a relatively small but steady annual influx of funding. Et pan sur le bec de certains enthousiastes. Il parle aussi du problème du coût énergétique des capteurs solaires, dont nous parlions avec Tom Roud en commentaire d'un précédent billet, d'une façon à la fois déprimante et ouvrant des perspectives. An example of a complex system is the calculation of how much energy goes into the manufacture of solar cells and how much you get back. Do you come out ahead or behind? The systems analysis required to answer this question is so complicated, Whitesides predicted it will require new mathematics and new science to solve.

Je vous vois venir, apôtres du CNRS. The problem is that government and industry prefer to opt for short-term solutions, voilà quelque chose que Sauvons la Recherche aurait pu écrire, n'est-ce pas ? Je ne voudrais pas jouer les rabats-joie, mais je ne parierais pas sur la France, où l'idée de développer des applications industrielles est presque un péché scientifique, pour développer ce genre de nouvelles technologies.

Il faudrait, en fait, quelque chose d'intermédiaire...

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Les différents avenirs de l'énergie solaire

Un certain nombre de news récentes montrent que les différentes voies explorées depuis quelques années dans la perspective d'exploiter de façon plus rentable l'énergie solaire sont en train de porter leurs fruits.

Jusqu'à présent, les cellules solaires étaient faites en silicium. Le silicium à l'état amorphe a un rendement assez faible, mais ne coûte pas cher (il n'a pas besoin d'être aussi pur que pour les composants électroniques), tandis que le silicium cristallin a un meilleur rendement mais est plus cher. Cependant, la rentabilité des cellules photovoltaïques à base de silicium est compromise par l'augmentation du cours des matières premières. Ses possibilités de développement sont aussi limitées par la nécessité d'un fort ensoleillement, par sa dégradation rapide, par sa fragilité. Le silicium est un semiconducteur "indirect", ce qui signifie, pour faire simple, que la probabilité de créer un électron à partir d'un photon de lumière est assez faible. Il faut qu'un phonon soit créé pour "aider" le processus, et pour augmenter la probabilité que cela arrive, les couches de silicium doivent être assez épaisses.

La première voie possible pour améliorer la situation se situe du côté des couches minces. En utilisant des matériaux semi-conducteurs plus efficaces (à gap "direct", où le photon crée directement un électron), on peut se passer des couches épaisses requises par le silicium. Du coup, il est possible d'en empiler plusieurs, chacune absorbant un domaine du spectre solaire : le rendement est meilleur, y compris en ensoleillement limité. D'autre part, les couches cent fois plus fines abaisse le coût de revient, même si la matière première est plus coûteuse au kilogramme.

Cette première technologie est intéressante du strict point de vue du rendement, mais reste classique dans son approche économique et la nécessité de construire de grandes centrales ou "fermes" solaires. D'autres technologies, par contre, portent en elles les germes de nouveaux usages, et donc, d'intérêts économiques.

Il est par exemple envisagé de recouvrir les toits en acier de tous les hangars, bâtiments industriels, et autres tôleries, par des nanoparticules de semiconducteurs. Un simple spray serait suffisant, et permettrait de valoriser ces larges surfaces. Le problème est la dégradation rapide des particules : une solution envisageable serait de les recouvrir de plastique transparent, mais ce matériau a la fâcheuse tendance à jaunir, c'est-à-dire à devenir moins transparent, après une longue exposition à la lumière. Et il y a toujours le problème de l'utilisation à grande échelle, en milieu urbain, de nanoparticules...

Une autre branche très prometteuse, et potentiellement très novatrice dans ses applications, est le domaine des semiconducteurs organiques. C'est un domaine de recherche foisonnant, avec déjà un certain nombre d'applications. Par exemple, ces textiles-capteurs solaires, ou ces cellules photovoltaïques sur plastique souple. J'avais aussi eu l'occasion de parler de la perspective d'imiter la nature et sa photosynthèse. Ces technologies pourraient engendrer en cascade de multiples produits : pourquoi ne pas imaginer des sac de randonnée servant de batterie, des bateaux propulsés par des voiles d'un nouveau genre, ou des vêtements bourrés d'électronique auto-alimentés ? Au niveau scientifiques, de multiples voies de recherche sont proposées pour améliorer le rendement encore faible de ces plastiques photovoltaïques. Par exemple, certains polymères s'auto-organisent d'une façon qui multiplie la surface de contact entre les deux électrodes et qui réduit la distance à parcourir pour les électrons, ce qui compense la faible conductivité des polymères. Une autre idée serait d'empiler les couches de semiconducteurs en série, pour augmenter l'intensité produite et le rendement. Cette technique est extrêmement coûteuse avec les semiconducteurs classiques, mais pas avec les plastiques.

Bref, la créativité dans le domaine de l'énergie fait espérer que des solutions novatrices deviennent économiquement plus intéressante que les hydrocarbures. Cependant, il restera toujours le problème du transport et du stockage de l'énergie, très difficile avec l'électricité telle quelle, mais très facile sous la forme de liquide (pétrole) ou gaz (gaz naturel). C'est peut-être là que l'hydrogène aurait un rôle à jouer, en étant synthétisée dans les déserts du Sahara, du Nouveau-Mexique ou de Gobi, et en étant consommée dans les voitures à New York, Londres ou Pékin...

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Photosynthèse

Depuis quelques jours, on peut lire des articles parlant des recherches sur la photosynthèse menées par l'équipe de Gregory Engel à Berkeley. La photosynthèse y est généreusement qualifiée de "réaction chimique la plus importante sur Terre", ce qui est certainement une phrase pour accrocher l'intérêt journalistique, mais j'avoue ne pas avoir trouvé de contre-exemples. Il s'agit tout de même de la première étape du plus important des écosystèmes de la planète, celui basé sur l'énergie du soleil !

L'équipe pense avoir expliqué comment, par un phénomène purement quantique, les chloroplastes présentes dans les plantes et les algues concentrent l'énergie des radiations lumineuses du soleil en énergie chimique.

Jusqu'à présent, on envisageait ce processus comme une "cascade" d'excitations électroniques, que l'on peut représenter comme un entonnoir. Il faut imaginer cet entonnoir comme étant l'énergie des molécules : plus elles sont basses en énergie, plus elles sont difficiles à exciter. Tout en haut de l'entonnoir, les molécules les plus nombreuses (les pigments, en particulier la chlorophylle) sont exposées au soleil, comme une antenne collectrice. Les rayons lumineux n'ont pas beaucoup d'énergie, et réussissent tout juste à exciter un de leurs électrons. Ces molécules déchargent ensuite leur énergie dans une molécule un peu plus bas dans l'entonnoir (c'est-à-dire initialement un peu plus basse en énergie) : cette dernière est alors excitée, avec une énergie plus grande que celle des radiations initiales. Et, ainsi de suite, jusqu'en bas de l'entonnoir, avec une énergie de plus en plus concentrée, jusqu'à atteindre un niveau suffisant pour briser la molécule de dioxyde de carbone, la brique des molécules carbonées indispensables à la vie.

Sans cette cascade d'étapes intermédiaires, l'utilisation d'une faible radiation pour franchir une large barrière d'énergie n'aurait qu'un très, très faible rendement. Cependant, ce mécanisme explicatif reste encore insatisfaisant, car les étapes où l'énergie se transmet sont aléatoires, avec uniquement un biais de probabilité vers les régions d'énergie plus basse. Le processus total devrait donc prendre plus de temps, dissiper plus de chaleur, et donc avoir un moins bon rendement, que ce qui se passe en réalité.

Engel propose donc un autre mécanisme, où les électrons seraient délocalisés sur l'ensemble de l'entonnoir, et choisiraient immédiatement le chemin le plus pentu, les conduisant au fond du puits d'énergie. Il pense avoir observé une vague électronique cohérente avec un laser femtoseconde : les électrons "s'étaleraient" dans toutes les directions et se "résoudraient" à l'endroit ou l'énergie est la plus basse. Pour le dire autrement, les électrons seraient capables de tester tous les chemins d'énergie et de choisir le plus favorable. Un tel mécanisme expliquerait la rapidité et l'efficacité de la photosynthèse.

Je ne sais pas si je suis convaincu par cette explication. Je suis particulièrement gêné par l'analogie un peu facile qui est tirée avec l'ordinateur quantique, qui est peut-être très forte d'un point de vue marketing, mais qui ne m'éclaire pas beaucoup. Je note aussi que les critiques pointent du doigt le fait que ces mesures ont été faite à 77 degrés Kelvin, et qu'à cette température très basse, les phénomènes cohérents de ce genre sont certainement favorisés face à l'agitation thermique, sans que cela se passe nécessairement de la même façon à température ambiante...

Finissons sur un point positif : les travaux sur la photosynthèse ont, en plus de leur intérêt scientifique, des perspectives importantes dans le domaine de l'énergie. Des chimistes ont par exemple essayé, sur ce modèle, d'associer des dendrimères (des polymères de formes semi-sphérique) et des pigments pour jouer le rôle de l'entonnoir. Le dendrimère formerait comme une antenne capable de collecter l'énergie du soleil, et de la concentrer et de la décharger dans un pigment, qui pourrait créer des charges ioniques et donc, de l'électricité. Les modèles expérimentaux fonctionnent avec un bon rendement, mais les défis pratiques restent nombreux avant de produire des panneaux solaires basés sur ce système.

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L'aube d'un changement

Les signes d'un changement massif de paradigme concernant le changement climatique se multiplient. L'évolution se fait en trois temps : le lobbying des scientifiques qui influencent, malgré l'inertie, les opinions publiques mondiales, les investissements massifs dans les nouvelles technologies "propres", et, loin derrière, les politiques qui suivent le mouvement.

Les scientifiques du GIEC ont réussi, d'après Le Monde, la plus belle opération de lobbying [scientifique] depuis la réalisation de la bombe atomique par les Etats-Unis durant la deuxième guerre mondiale. Petit à petit, le message passe, et les citoyens commencent à s'inquiéter du réchauffement climatique. Or, les citoyens ne demandent jamais aussi fortement le changement que quand ils l'expriment en tant que consommateurs. S'ils veulent consommer autrement, il se trouvera toujours des investisseurs pour exploiter le filon.

Et justement, les nouvelles technologies "vertes" sont la mine d'or de l'avenir. Comme je l'ai deja dit, à partir des problèmes écologiques, si la recherche et l'innovation sont encouragées, si l'environnement économique est propice, il est possible de faire avancer la science, de faire de l'argent, et de créer des emplois.

Ce genre d'environnement existe en Californie, par exemple. On voit maintenant les investisseurs pousser le gouvernement américain à infléchir sa politique énergétique. Ils n'ont pas encore le poids d'Exxon, bien sûr, mais leur image est bien meilleure, ce qui peut faire réfléchir en période électorale.

La recette pour sauver le monde ? C'est peut-être de mélanger lobbying scientifique, recherche, innovation, et esprit d'entreprise.

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Miscellaneous

Petite paresse intellectuelle, je ne savais pas comment faire des billets cohérents à partir de plusieurs petites choses, alors je met tout en tas. Thèmes : énergies renouvelables, réchauffement climatique, et division par cent.

Deux revues scientifiques, cette semaine, parlent des énergies renouvelables. C’est le dossier central de Nature, le journal scientifique qui donne le « la » de la recherche mondiale. C’est le n°1, sur trois pages, du dossier « les 100 histoires de la science en 2006 » de Discover, une revue de vulgarisation dans le style de Sciences et Avenir. Dans les deux cas, une bonne place est accordée à l’éthanol. Ces bioénergies sont prometteuses pour la lutte contre le réchauffement climatique : on utilise indirectement l’énergie du soleil au lieu de vider les puits de carbone que sont les hydrocarbures. Par contre, il ne faut pas se faire d’illusions en termes environnementaux : n’oublions pas les besoins en eau, en traitements chimiques, les éventuelles menaces sur la biodiversité…

Dans le même numéro de Discover, seize signes du changement climatique. Entre autres exemples, la glace du Groenland fond trois fois plus vite qu’il y a vingt ans. La fonte des glaces du Groenland et de l’Antarctique a déversé vingt milliards de tonnes d’eau dans la mer cette année. Enorme ? Rapide calcul d’ordre de grandeur : le rayon de la Terre fait 8000 km et des bricoles, donc sa surface, 4πR² est grosso modo 750 millions de kilomètres carrés. La Terre est recouverte de mers sur environ 2/3 de sa surface, soit 500 millions de kilomètres carrés. Les vingt milliards de tonnes d’eau représentent vingt kilomètres cubes, soit une augmentation du niveau de la mer de quatre micromètres. Pas de quoi s’alarmer, pourrait-on dire. Sauf que les phénomènes climatiques ont beaucoup d’inertie, et il reste encore beaucoup de glace à faire fondre (précisions ici). De plus, quels que soient nos efforts pour réduire maintenant nos réductions de gaz à effet de serre, nous ne sommes qu’au début du réchauffement.

Le réchauffement climatique présente un (deux, en fait) gros risque d’être auto-accéléré. En effet, le réchauffement libère le méthane piégé dans le permafrost sibérien, et le méthane est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone. D’un autre côté, des tourbières vont peut-être se développer en Sibérie avec le réchauffement, et peut-être piéger une partie de ces gaz. De toute façon, le risque d’une explosion existe. Je n’aime pas citer des sites trop partisans habituellement, mais celui-ci est le plus complet que j’ai trouvé sur la question. Deuxième point, du méthane est piégé dans des « hydrates » (une sorte de glace) au fond de la mer. La stabilité thermique de ces hydrates est très faible, et ils pourraient relâcher leur méthane en cas de réchauffement. Bombe écologique ou pas ? Tout dépend de la quantité de méthane piégé, et l’incertitude est très grande. Cela va de « pas grand-chose » à « plus de carbone que toutes les autres sources cumulées, incluant la biosphère et les réserves de pétrole et de charbon ».

Vu chez Sebastiao : les gens de chez Verizon (une des plus grandes compagnies de téléphone mobile US) ne savent pas compter…

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Une idée à suivre : transformer le CO2 en hydrocarbure

On en reparlera peut-être dans quelques années.

les chimistes spécialistes de l'électrocatalyse rêvent de changer le dioxyde de carbone (CO₂) en hydrocarbures. Le principal fauteur de réchauffement climatique - relâché en quantité dans l'atmosphère par les industries et les transports - serait alors autant de carburant potentiel...

Ce rêve est porté par un programme de recherche européen, Elcat (Electrocatalytic Gas-Phase Conversion of CO₂ in Confined Catalysts), dont l'objectif est de maîtriser cette réaction convoitée de "réduction" du gaz carbonique - et ce avec un très faible apport énergétique.[..]

"Le but ultime de ce travail est en quelque sorte de concevoir une cellule fonctionnant sur le même principe que la photosynthèse, c'est-à-dire capable d'utiliser l'énergie solaire et de l'eau pour transformer du dioxyde de carbone en produits utiles entrant dans la composition de nos carburants actuels", explique Gauthier Winé, chercheur au sein du groupe Carbures et nanostructures du Laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse (LMSPC) de Strasbourg, associé au projet.

Sur le site du Monde

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Dans la vraie vie, je ne suis pas monomaniaque

Je préfère préciser, parce que là, vous allez commencer à croire que je ne parle que d’environnement et de biotechnologie.

Image : NASA

En matière de lutte contre le réchauffement climatique, il semble que les américains ont un messie, un catalyseur de bonnes volonté, un mécène, et même Terminator dans leurs rangs. En France, nous avons des non-spécialistes qui donnent des avis divergents. Il semble que Claude Allègre soit perçu comme un dissident contre la pensée « mainstream », ce qui est plutôt de mauvais augure pour la suite. J’espère que le débat chez Authueil va s’installer et qu’il sera de bonne qualité, et surtout qu’il changera d’avis, car ça me désole de voir quelqu’un d’aussi manifestement intelligent se fourvoyer dans des théories aussi fumeuses.

Vous vous souvenez sûrement d’avoir grincé des dents quand les Etats-Unis n’ont pas ratifié le protocole de Kyoto. A l’époque, les Français (pardon pour cette généralisation, mais elle n’est pas si fausse) s’indignaient que des scientifiques ultra-minoritaires, contestant le changement climatique, servent d’alibi aux hommes politiques américains pour céder aux sirènes des lobbys industriels. N’y aurait-il pas comme un ironique renversement de situation ?

Cependant, je suis optimiste. Le réchauffement climatique est en train de devenir politiquement correct. La lutte contre l’effet de serre, ou pour l’environnement en général, commencent à devenir un passage obligé pour les hommes politiques, des deux côtés de l’Atlantique. Bientôt, un peu plus tôt aux Etat-Unis, un peu plus tard dans le reste du monde, les rapports de force s’inverseront, comme ils l’ont fait pour le tabac. Le lobby des fumeurs et des marchands de tabac est devenu plus faible que l’opinion publique ; les industriels, les constructeurs automobiles, et autres industries polluantes, devront eux aussi s’adapter. Les calculs politiques montreront qu’il sera plus rentable de s’attaquer au problème climatique que de faire semblant de l’ignorer. Certains parleront d’un délire hygiéniste, d’une croisade médiatique, et ils auront peut-être raison – mais au moins, des solutions seront mises en œuvre. Voir ici un exemple pour le tabac

C’est bien beau de dire que les choses vont changer, mais là, tout de suite, que faire ? Ce site canadien est le plus complet que j’ai trouvé pour ce qui est des actions que chacun peut faire pour réduire son impact énergétique. Pour la France, cet article du Monde, titré « Un rapport estime que la France peut diviser par quatre ses émissions de gaz à effet de serre », suggère que la piste principale à explorer est la maîtrise des dépenses énergétiques. Je n’ai pas retrouvé ce rapport, mais cette position, défendue de longue date par les écologistes, justifie le lien précédent : chaque citoyen est responsable, à son échelle, des progrès à accomplir. Comme on dit, il n’y a pas de petites économies si on est soixante millions à les faire. Cependant, je pense que l’on peut être plus optimiste que l’article sur l’amélioration des technologies liées aux énergies propres. Je me souviens aussi d’avoir lu dans Science qu’il était envisagé de stocker dans les anciens puits de pétrole le dioxyde de carbone de l’air : c’est peu coûteux et la technologie est très bien maîtrisée par l’industrie pétrolière. Il y a urgence, si l’on veut éviter un dégel brutal du permafrost ou des hydrates de carbones.

Quoi d’autre ? Le durcissement du marché du carbone, comme en Californie, ainsi qu’un certain nombre de mesures coercitives vis-à-vis des industries polluantes, peut avoir paradoxalement un effet stimulant sur l’économie. C’est toujours le même refrain : pour peu que la recherche, l’innovation et la création de startups technologiques soient encouragées, il est possible d’espérer des gains importants dans le secteur des technologies non polluantes ou de dépollution ! Je pense que la Californie va fournir dans quelques années la preuve qu’il est possible de stimuler l’économie par l’écologie. En plus d’avoir un solide tissu de recherche, la condition est d’être parmi les premiers à le faire, pour attirer les entrepreneurs et les innovateurs. Alors, n’attendons pas.

EDIT : quand je dis que les choses s'accélèrent : voila maintenant que les maires de grandes villes américaines s'associent pour faire pression sur le gouvernement fédéral pour ratifier le protocole de Kyoto, et encourager des initiatives locales.

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Ségolène Royal parle de l'avenir énergétique de la France

Ca n'est pas inintéressant (version dépêche du Monde) : elle commence par une attaque pertinente de l'engagement de Nicolas Sarkozy, elle développe les thèmes habituels des socialistes, à savoir la protection du consommateur, l'autonomie énergétique de la France. Elle fait cependant un raccourci économique saisissant entre privatisation et augmentation des prix : même s'il y a des contre-exemples pertinents et récents, ce sont plutôt des exceptions que la règle ! Elle ajoute le problème de l'environnement, ainsi que la nécessité d'investir dans la recherche d'énergies renouvelables. Elle revient souvent sur ce thème de R&D, et c'est doux à mes oreilles. Par contre, je vais finir par desepérer qu'un responsable socialiste remette ce projet - et la politique énergétique dans son ensemble - dans une perspective européenne.

Et décidement, elle n'est pas une grande oratrice. J'espère pour elle qu'elle y travaille !

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