MAGLEV JAPONAIS
A - LEVITATION
La meilleure façon de se mouvoir sans frottements ni contacts entre le rail et le véhicule est la lévitation au-dessus des voies terrestres. En physique, cette technique permet de déduire à un objet l'action de la gravitation. Dans ce cas, on cherche à compenser le poids du train par une force opposée qui peut être d’origine différente. Il existe ainsi des formes de lévitations acoustiques, électrostatiques, optiques ou encore aérodynamiques. Mais de nos jours, la lévitation magnétique s’avère être la plus fiable et la plus comprise par les scientifiques. On peut l’obtenir par la mise en opposition des pôles nord et pôles sud soit de deux aimants permanents soit de deux champs magnétiques créés par des électroaimants.
Cependant ces lévitations sont fragiles, courtes dans le temps et surtout énergivores et peu efficaces pour des masses très élevées.
1-Une manière de leviter grâce a la supraconductivité
La meilleure façon d’obtenir une lévitation magnétique stable permettant de soutenir des masses importantes en suspension au-dessus du sol est d’utiliser les propriétés de supraconductivité de certains métaux.
Pour mieux comprendre ce phénomène, nous nous sommes rendus au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Grenoble au laboratoire du Consortium de Recherches pour l’Émergence de Technologies Avancées (CRETA) spécialisé dans le développement de matériaux fonctionnels comme les supraconducteurs. La supraconductivité étant complexe, revenons sur son histoire et son fonctionnement qu’il est nécessaire de bien assimiler pour comprendre le génie du train japonais.
Nous sommes au début du XXème siècle, l’Europe est bousculée par une vague de découvertes scientifiques succinctes avec notamment les débuts de la physique quantique (relativité générale d’Einstein, travaux de Max Planck). La physique de la matière et la celle de l’infiniment petit est enfin comprise par les savants européens qui s’y intéressent à mesure que les articles scientifiques et le partage de connaissance fleurissent parmi la presse de l’époque. Seulement, la communauté ne sait toujours pas comment la matière réagit face à des températures extrêmement basses. Pour y répondre plusieurs chercheurs tentent de liquéfier l’hélium, seul gaz qui ne devient pas liquide en dessous des -250°C. Cette température est celle à laquelle l’hydrogène se liquéfie. Or, l’hydrogène liquide est le gaz liquéfié le plus froid de l’époque. L’enjeu est donc de taille : celui qui liquéfie l’hélium, atteindra une température inférieure à -250 °C et par conséquent proche du zéro absolu.
Parmi ces scientifiques, un hollandais, kammerlingh Onnes réussit, après des mois de recherches, à obtenir quelques litres d’hélium liquide dans son laboratoire à Leyden sous les yeux de son maitre Johannes Diderik van der Waals, célèbre physicien néerlandais. La température de liquéfaction du gaz est la plus froide jamais obtenue à l’époque c’est-à-dire -269°C soit 4,2 K du zéro absolu. Ne s’arrêtant pas là, le savant hollandais mesure la résistance du mercure refroidi avec de l’hélium liquide. En effet, différentes thèses étaient déjà soutenues sur la réaction électrique d’un métal refroidi à quelques Kelvin du zéro absolu : l’une d’elle était de dire qu’il deviendrait totalement isolant du fait de l’immobilisation potentielle de ses électrons. Toutefois, Onnes réalise ses propres mesures pour en être complétement convaincu et il choisit le mercure (Hg), le métal qu’il sait le mieux purifier. « Par l’expérience, la connaissance » disait-il et le 8 Avril 1911 il découvre que la résistance devient presque nulle en-dessous de 4,2 K.
Ci-dessous, le tableau réalisé par Kammerlingh Onnes tiré de son carnet d'experience.
Théoriquement la résistance du mercure est nulle mais Onnes note une résistance de 10^(-5) Ω. C'est sa marge d'erreur car les appareils qu'il utilise ne sont pas assez précis pour mesurer une résistance nulle.
Cette expérience est réalisée plusieurs fois et montre la même chute soudaine, inattendue et inexplicable de la résistance du mercure à partir de 4,2 K. Le jour même Onnes nomme sa découverte la Supraconductivité et obtint le prix Nobel de physique pour ses travaux.
Néanmoins, Onnes se méfit de la véracité de ses mesures et réalise une seconde expérimentation pour les démontrer. De fait, si la résistance est nulle pour certains métaux supraconducteurs refroidis à 4,2 K, on devrait pouvoir créer un courant perpétuel ? Il prend donc un disque d’étain comme ci-dessous auquel il induit un courant électrique. Celui-ci ne disparait pas confirmant ses précédentes mesures.
C’est donc grâce à la conjonction de recherches techniques et appliquées – la liquéfaction des gaz, l’obtention de très basses températures et de recherches fondamentales – que l'absence de résistance électrique à l’intérieur de certains matériaux dits supraconducteurs, fut découverte.
On a donc observé que certains métaux refroidis à de très basses températures superconduisaient du fait de leurs propriétés électriques remarquables. Mais pour un physicien, électricité et magnétisme sont directement liés. Une dizaine d’années après la découverte d’Onnes, Whalter Meissner, un physicien allemand décide d’étudier les propriétés magnétiques des supraconducteurs.
Le meilleur moyen d’étudier le magnétisme d’un matériau est d’approcher un aimant de celui-ci.
Nous avons pu réaliser l’expérience faite par Meissner au CNRS.
1.1-L'effet meissner
Mais comment la pastille supraconductrice arrive-t-elle à repousser le champ magnétique de l'aimant ? Que se passe-t-il dans la matière refroidi à très basse température ?
Lorsqu'un supraconducteur est refroidit à très basse température, les électrons libres qui circulent ensemble à la manière d’une vague quantique ne supportent pas les champs magnétiques car ils la déforment et la cassent.
Pour s’en protéger, un super courant sans résistance électrique se crée à la périphérie du supraconducteur comme représenté ci-dessous. En tournant, ce super courant forme un champ magnétique dans le supraconducteur qui s’oppose et repousse celui de l’aimant.
1.2-Le train qui lévite grâce à l'effet meissner
Donc quand on cherche à bouger la pastille supraconductrice, elle emmène l’aimant avec elle car le supraconducteur ne veut pas que le champ magnétique qui lui est imposé change.
Si on inverse l’expérience faite précédemment en alignant plusieurs aimants sur un rail et en positionnant cette fois-ci une pastille supraconductrice au-dessus de la voie, le supraconducteur se maintiendra le long des aimants comme ci-dessous.
On a réalisé cette expérience au CNRS sur une maquette expérimentale avec un train factice.
Mais comment le train avance-t-il ? A quoi servent les aimants ?
Une fois refroidi à l’azote liquide, le train lévite et reste piégé au-dessus de la voie d’aimants. En effet, le champ magnétique étant le même le long de la voie, le supraconducteur ne voit pas la différence et crée un passage où il répulse à tour de rôle les champs magnétiques des aimants comme ci-dessous.
Il n’y a donc plus de frottements (seulement avec l’air) et un simple accélérateur sous le tunnel lui permet de garder une vitesse constante. Puis à mesure que les frottements de l’air réchauffent le train et que l’azote liquide s’évapore, le train ralentit et la lévitation s’arrête.
Ce type de lévitation par effet Meissner parait être stable et facile à réaliser. Un train pourrait léviter de cette manière. Seulement, le développement de cette lévitation à grande échelle est freiné par le coût de la voie de guidage qui nécessite un alignement d’aimants permanents. De plus, la force du champ magnétique ne serait pas suffisante pour faire léviter un poids aussi important que celui d'un train.
