Fabriquer du froid localisé

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janvier 2012
Image de gauche : Les chercheurs arrivent à visualiser les tourbillons de vent qui naissent à l'interface entre les couches d'air grâce à une lumière laser plane. Ici, une couche d'air centrale produit des tourbillons quasi identiques à ses interfaces avec l'air à gauche et à droite. Image de droite : Un logiciel de traitement de données permet aux scientifiques de déterminer précisément le sens du vent dans les tourbillons qui naisent aux interfaces entre deux couches d'air.
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Des chercheurs ont créé des pilotes capables de générer un froid localisé, utile pour les industries agroalimentaires.

Les produits périssables emballés présentés dans les rayons des commerces de bouche constituent la moitié de nos achats alimentaires. Pour garantir leur qualité sanitaire, toute la chaîne de conditionnement est plongée dans une atmosphère froide proche de 4°C et ultrapropre. Dans d’immenses chambres froides, le personnel subit les mêmes conditions que les produits sur lesquels il travaille : froid et humidité.

Développé à l’Irstea(1) de Rennes, par l’équipe de Georges Arroyo en collaboration avec le Centre technique du froid et de la climatisation situé à Dinan, le Pôle Cristal, le projet Froiloc a pour objectif que seuls les produits soient soumis à une atmosphère froide et ultrapropre. Le projet intéresse beaucoup les industriels car il permettrait de diminuer les coûts énergétiques en réduisant notamment la taille des installations frigorifiques, mais aussi, et cela concerne également la Caisse régionale d’assurance maladie, d’améliorer les conditions de travail des salariés. Les troubles musculo-squelettiques interviennent en effet plus vite et plus fréquemment dans une atmosphère froide et sont particulièrement invalidants.

Une turbulence et des tourbillons

« Notre domaine, explique Johan Carlier, chercheur à l’Irstea, est la maîtrise des écoulements de fluides à vitesse moyenne et faible (inférieure à 10m/s) dans un environnement ouvert. » L’Irstea a mis au point des outils très performants en soufflerie. Des outils qui permettent de visualiser les mouvements de l’air dans le temps et dans l’espace. « À l’interface entre deux couches d’air mobiles, une zone de turbulence se crée, des tourbillons se forment. Ce sont ces turbulences que nous essayons de comprendre pour pouvoir les contrôler. »

L’idée de Froiloc est de contenir l’atmosphère froide et ultrapropre générée par une hotte au-dessus d’une table où seront manipulés les produits. L’opérateur pourrait alors travailler à une température supérieure à 13°C tout en maintenant l’environnement immédiat du produit, à la température prescrite par la réglementation (4°C). « Il fallait trouver le moyen de diminuer la zone de turbulence autour de la table, ou au moins de l’écarter de la zone de travail sans pour autant refroidir la pièce.

Testé chez un industriel

Les chercheurs de l’Irstea ont conçu un poste de travail pilote constitué d’une hotte à flux dotée de déflecteurs et d’une table équipée de reprise d’air froid. Une maquette du pilote a d’abord été testée en soufflerie. Puis celui-ci a été réalisé en grandeur réelle et testé au Pôle Cristal. Enfin, il a été installé pour une semaine d’essai chez un des deux industriels bretons associés au projet. Philippe Georgeault, assistant ingénieur, et Anthony Guibert, technicien de recherche, ont réalisé l’installation et les mesures chez l’industriel. « Nous avons effectué des mesures au niveau de la table, de la tête, du thorax et des pieds de l’opérateur. » Les résultats ont été conformes aux souhaits de la Cram : une température de travail comprise en 13 et 18°C et un gradient de température inférieur à 3°C de la tête aux pieds, alors que le plan de travail reste en dessous de 1°C. « On craignait un peu que les opérateurs aient une sensation de froid accrue sur les mains », explique Anthony. Mais non. Le pilote a satisfait à toutes les exigences.

Froiloc, deuxième phase

La seconde phase du projet Froiloc a donc pu commencer, elle comprend deux volets. Le premier financé par l’ANR(2), consiste à mettre au point d’autres pilotes adaptés à d’autres postes de travail tels que le tranchage ou la préparation. La Région Bretagne et l’État financent le second qui concerne l’implantation de lignes expérimentales dans des entreprises bretonnes. Les premières estimations réalisées à la suite du test du pilote en conditions réelles permettent d’envisager une économie d’énergie de 50% par rapport à un atelier froid classique.

Reste ensuite à faire en sorte que les équipementiers s’emparent de ces innovations pour généraliser leur utilisation et apporter plus de confort aux salariés du froid...

Comprendre - Qu’est-ce que le zéro absolu ?

Nous associons facilement l’état de l’eau à l’échelle de température définie par l’astronome et physicien suédois Anders Celsius : à 0°C l’eau gèle (se solidifie), à 100°C, elle bout et devient vapeur. Parce que c’est ainsi que Celsius avait voulu son échelle de température en 1742 : pratique. Mais que mesure-t-on lorsqu’on relève la température d’un corps.

« Les physiciens mesurent l’amplitude des vibrations des atomes qui composent ce corps, disait Julien Bobroff, physicien, lors d’une conférence donnée en février 2011 à l’Espace des sciences(1). Plus les atomes sont agités, plus ils vibrent, plus la température est élevée. » Moins ils vibrent, moins la température est élevée. Et lorsqu’ils ne vibrent plus du tout, la température est nulle, c’est la définition du zéro absolu de Lord Kelvin. Une température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps. En degrés Celsius : -273,14.

Mais les physiciens savent aussi que même lorsqu’un corps est totalement figé, il subsiste toujours une infime vibration qui empêche d’atteindre ce zéro absolu. Les expériences les plus récentes de refroidissement de gaz au laser ont permis de s’en approcher à 10-9 K près. C’est en tentant d’approcher ce zéro absolu que le physicien Kamerligh Onnes a découvert la supraconductivité. En 1908, il réussit, en liquéfiant de l’hélium, à descendre à -271°C (1,5K). Ayant obtenu plusieurs litres d’hélium liquide, il entreprend de tester les propriétés des métaux. Il y plonge un bloc de mercure et constate que sa résistance électrique devient nulle : le mercure est devenu un conducteur parfait, un supraconducteur. Kamerligh Onnes obtient le Prix Nobel de physique en 1913.

En 1933, Meissner montre que les supraconducteurs repoussent le champ magnétique. Une propriété qui donne lieu à des expériences spectaculaires de lévitation d’aimants. Ces propriétés, combinées à la mise au point de matériaux supraconducteurs à haute température, pourraient révolutionner les technologies consommatrices d’énergie. Et elles sont nombreuses.

Renseignements : 
(1)(Re)voir la conférence de Julien Bobroff sur : www.espace-sciences.org/conférences

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Christelle Garreau

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