Découverte en 1911, la supraconductivité est un état particulier de certains matériaux qui, portés à très basse température perdent leur résistivité électrique et transportent l'électricité sans perte : compte tenu des besoins en énergie et des pertes enregistrées au cours de sa distribution (30 %), l'intérêt des recherches sur les matériaux supraconducteurs est évident.

Certains matériaux deviennent supraconducteurs quand leur température est inférieure à une température dite température critique, variable selon le matériau : cette propriété exceptionnelle n'existe malheureusement qu'à basse température. En dessous de cette température critique, ils passent de l'état normal à l'état supraconducteur : pour présenter cette propriété, ils doivent donc être refroidis à une température inférieure à la température critique, c'est-à-dire celle de l'hélium liquide (4,2 Kelvin = —269° C).

La meilleure température critique obtenue à ce jour est de 23 K : elle a été obtenue en 1973 par des Américains sur un matériau difficile à synthétiser, c'est pourquoi les chercheurs du monde entier s'acharnent à trouver des matériaux nouveaux à haute température critique.

En 1971, Roger Chevrel et Marcel Sergent, du Laboratoire de Chimie Minérale B de l'Université de Rennes 1, Unité Associée CNRS 254, ouvraient une voie nouvelle dans la recherche sur la supraconductivité en mettant au point les premiers composés ternaires supraconducteurs : jusqu'alors les matériaux supraconducteurs obtenus étaient des composés binaires.

Les substances découvertes à Rennes (Phases de Chevrel) sont des Chalcogénures Ternaires de Molybdène : il s'agissait à l'origine d'une découverte fondamentale, mais leurs propriétés physiques ont suscité un grand intérêt. Certains à base de Lithium sont utilisables dans les batteries secondaires, d'autres ont des vertus catalytiques et un grand nombre ont des propriétés supraconductrices exceptionnelles.

A ce jour, les chercheurs rennais ont obtenu près de 150 composés, dont la moitié sont supraconducteurs : le meilleur composé obtenu est un alliage à base de Molybdène, Soufre et Plomb ou Etain.


Le record mondial des champs critiques

Outre l'intérêt économique qu'il présente, cet alliage a des propriétés exceptionnelles : sa température critique est de 15 K. Bien que cette température critique soit proche des meilleures performances jamais obtenues, là n'est pas l'unique raison de l'intérêt suscité par ce matériau dans la communauté scientifique internationale.

En effet cet alliage, et c'est là sa propriété physique la plus remarquable, est capable de supporter des champs magnétiques encore jamais obtenus, tout en restant supraconducteur. Au-delà d'un champ magnétique dit champ critique, le matériau perd sa propriété supraconductrice pour revenir à l'état de conducteur normal : plus le champ critique est élevé, plus le matériau supraconducteur pourra générer des champs magnétiques intenses.

De plus, il faut savoir qu'il y a une relation étroite entre température et champ magnétique critique : la valeur du champ critique décroit à mesure que la température du matériau se rapproche de sa température critique.

Le matériau actuellement utilisé dans tout aimant supraconducteur est un alliage de niobium-titane dont la température critique est de 9 K et le champ critique de 10 Tesla. Or, l'alliage obtenu à Rennes a un champ critique cinq fois plus élevé (50 Tesla) à la température de l'hélium liquide, ce qui représente un million de fois le champ magnétique terrestre (0,00005 Tesla).

Si les paramètres température et champ magnétique critique sont des propriétés intrinsèques au matériau, il en va tout autrement pour la densité de courant critique (densité au-delà de laquelle le matériau passe de l'état supraconducteur à l'état normal) : le courant critique est un paramètre technologique qui dépend directement de la fabrication. Or actuellement, les matériaux à fort courant critique sont ceux qui présentent le plus de défauts de structure.

En France mais aussi au Japon, en Allemagne, en Suisse, aux USA, en URSS, un programme de prédéveloppement des Phases de Chevrel sous forme de fils est en cours : plusieurs centaines de mètres de fils ont été obtenues. Le but des chercheurs rennais, après avoir réussi cette mise en forme filamentaire, est d'optimiser les densités de courant susceptibles d'être introduites dans un fil supraconducteur en Phases de Chevrel et d'obtenir des bobines supraconductrices capables de créer des champs magnétiques intenses, tout en consommant un minimum d'énergie. En effet un courant induit dans une spire supraconductrice est maintenu constant même après arrêt de l'alimentation en électricité : cela veut dire que l'on pourra disposer d'un aimant permanent pouvant créer des champs magnétiques de 20 à 30 Tesla. Actuellement, un aimant permanent crée un champ magnétique de l'ordre de 1 Tesla.


Des applications potentielles illimitées

Inventorier les applications à plus ou moins long terme de la supraconductivité serait une gageure. Les aimants supraconducteurs sont déjà utilisés en imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, notamment à Rennes depuis l'installation du Magniscan de Thomson-CGR, dont le champ magnétique est de 0,35 Tesla.

La production d'énergie représente pour les matériaux supraconducteurs un champ d'application très vaste, qu'il s'agisse de la conversion directe en énergie ou du contrôle de la fusion thermonucléaire qui nécessite des champs magnétiques intenses : la CEE a installé en Grande-Bretagne le JET, le plus puissant appareil au monde pour l'étude de la fusion thermonucléaire, équipé de bobines en cuivre qui consomment une quantité phénoménale d'électricité. Le Tore-Supra en construction en France utilisera plus de
50 tonnes de supraconducteurs en niobium-titane, ce qui réduira considérablement sa consommation d'énergie et augmentera le champ magnétique utile.

Les trains à lévitation magnétique utilisant des aimants supraconducteurs ont été expérimentés au Japon et en RFA : en 1979, un prototype japonais atteignait la vitesse de 517 km/h.

Transport et stockage de l'énergie sans perte, production d'énergie par cryoalternateur, purification des minerais, purification de l'eau, désulfurisation du charbon, détecteurs de champs magnétiques, de tensions et de courants très faibles, transistors pour supercalculateurs,... voici encore pêle-mêle quelques applications de la supraconductivité.

Pourtant, malgré les propriétés des matériaux supraconducteurs, surtout de ceux synthétisés à Rennes, et compte tenu de leurs applications potentielles, leur développement n'en est pas encore au stade industriel : comme cela se fait déjà aux USA, l'enseignement des Phases de Chevrel en France pourrait peut-être constituer un atout favorable au transfert des résultats de ces recherches vers le monde industriel.

Vue détaillée d'un brin multifilamentaire en Phases de Chevrel (grossissement 3 000) : ce type de brin peut transporter jusqu'à 1 million d'Ampère/cm2 alors qu'un fil de cuivre de même section peut transporter jusqu'à 1 000 Ampère/cm2.