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Comment l’eau fait pour monter dans un arbre au delà de 10 mètres ?

jeudi 1 août 2019 à 07:11

Des arbres.
Il n’est pas rare que les arbres fassent plus de 10 mètres : dans les forêts françaises, que ce soit les chênaies ou les forêts de conifères en montagne, les arbres font facilement autour de 20~30 mètres. Les plus grands arbres du monde, eux, culminent jusqu’à 115 mètres de haut.

Pourtant, si les plantes n’avaient pas une astuce bien à eux, ils ne pourraient pas mesurer plus de 10 mètres, tout simplement, car il serait impossible d’acheminer l’eau (et donc les nutriments) plus haut que cette limite.

D’où vient cette limite ? Comment les arbres la contournent-ils ?

La pression hydrostatique et le baromètre

On va faire une expérience.
Remplissez votre évier d’eau, puis prenez un tube à essai, ou un simple verre. Maintenant, immergez le verre dans l’eau, de façon à ce qu’il soit rempli d’eau. Ensuite, soulevez le verre au-dessus de l’eau, avec le fond du verre vers le haut.

Remarquez maintenant que vous avez soulevé une partie de l’eau :

Expérience du verre retourné dans l’eau.
Tant que le bord du verre reste sous la surface, l’intérieur du verre reste totalement rempli d’eau.

Cette expérience est simple à faire, et je pense que tout le monde l’a déjà faite, par exemple en faisant la vaisselle. Mais savez-vous pourquoi ça fait ça ?
Savez-vous pourquoi l’eau arrive à rester dans le verre, même si on est plus haut que la surface ?

La raison est la pression de l’air qui s’exerce sur la surface libre de l’eau. Le verre constitue une cavité. L’intérieur du verre n’est pas en contact avec l’air. Par contre, l’eau dans votre évier est, lui, en contact avec l’air et en subit la pression atmosphérique.

L’air appui sur la surface libre de l’eau, avec une pression de 1 bar (la pression atmosphérique). Cette force est suffisante pour pousser l’eau dans la cavité du verre, même si cela veut dire de faire remonter l’eau plus haut que la surface :

Expérience du verre retourné dans l’eau, explication.
La pression de l’air sur la surface de l’eau arrive à pousser l’eau jusqu’au fond du verre.

Maintenant, la pression normalisée de l’air est de 101 325 pascals (soit 1,013 bar), au niveau de la mer. Elle n’est donc pas infinie. Ceci signifie que la force exercée par l’air sur la surface de l’eau est limitée.
Du coup, si l’on réalise la même expérience, mais avec un tuyau de plusieurs mètres, alors l’eau ne sera poussée en haut que jusqu’à une certaine limite :

Expérience du verre retourné dans l’eau, limite.
L’air ne peut pousser l’eau que jusqu’à une hauteur limite.

Quand la limite est atteinte, l’eau, bien qu’occupant initialement tout le tuyau, descend laisse place à un vide. Ce « vide » est réellement du vide : ce n’est pas de l’air.

Physiquement, ce qui se passe, c’est que la colonne d’eau que l’on vient de créer possède une pression qui lui est propre. Quand la colonne d’eau est assez grande, sa pression s’équilibre avec la pression de l’air de l’autre côté, sur la surface livre dans la bassine ou l’évier.

Résultat, l’air d’un côté et l’eau dans le tube ont la même pression et l’eau en particulier ne peut plus monter davantage, laissant toute la hauteur de tuyau qui dépasse « vide » (remplie de vide, en fait). La pression tout en haut est alors de 0 pascal.

Pour l’eau, une pression de 1,013 bar est atteinte quand la colonne mesure 10,197 2 mètres (souvent arrondie à 10 mètres).
Si l’on avait utilisé une colonne de mercure, qui est 13,5 fois plus denses que l’eau, alors la limite de la colonne que l’on peut obtenir dans un tube est d’environ 760 millimètres (soit 76 centimètres).

On se sert d’une telle colonne de mercure comme baromètre : la pression atmosphérique varie au fil des jours. La force que l’air exerce sur une surface libre de mercure, également. Et du coup, la hauteur d’une colonne de mercure varie aussi. Il suffit donc de mesurer la hauteur du mercure dans un tube renversé, et on obtient la pression de l’air. Dans ces dispositifs, la pression est naturellement exprimée en « millimètres de mercure », ou « mmHg » (Hg étant le symbole chimique du mercure, venant du latin « hydr-argentium », ou « [le métal] argent liquide », le mercure étant un métal liquide et gris).

Historiquement, ces baromètres furent les premiers à être fabriqués. Ils sont néanmoins de moins en moins utilisés à cause de la dangerosité du mercure.

Quoi qu’il en soit, dans un tube renversé :

Les arbres utilisent une pression négative

Si l’on ne considère les arbres que comme un ensemble de tuyaux dans lesquelles circule la sève plus ou moins liquide, alors la sève devrait pouvoir monter jusqu’à 10 mètres du haut… mais pas au-dessus !

Les arbres, pourtant, mesurent bien plus que 10 mètres. Comment font-ils ?

Les arbres ont une petite astuce : ils utilisent, bien-sûr, la pression de l’air pour aider à pousser la sève et l’eau en haut, mais ce n’est pas tout. Ils se servent aussi d’une autre pression : une pression négative.

Dans un gaz, une pression négative n’existe pas. Les molécules d’un gaz sont libres : elles rebondissent les unes sur les autres et sur les parois. La pression n’est alors que la force de ces rebonds. Si l’on place un sac d’air dans le vide (parfait), même quelques molécules d’air suffiront à gonfler le sac, simplement parce que ces molécules tapent et repoussent les parois du sac vers l’extérieur. S’il ne peut y avoir de pression négative, c’est simplement parce qu’il ne peut y avoir moins que zéro molécules exerçant une force sur une surface donnée.

Mais dans un liquide, les molécules sont attachées les unes aux autres. Si l’on baisse la pression, les molécules vont avoir tendance à rester ensembles, comme un élastique que l’on étire.
Si l’on met un sac rempli d’un liquide, et qu’on baisse la pression, le sac va avoir tendance à vouloir s’effondrer sur lui-même. Ceci aura lieu même si l’on se place dans le vide (donc sans force à l’extérieur du sac pour l’écraser vers l’intérieur).

C’est donc comme si on avait un sac où les parois tirent les unes sur les autres avec des élastiques : le sac tend à imploser quoi qu’il arrive sur le liquide.

Les arbres utilisent cet effet pour faire monter l’eau tout en haut. De l’eau s’évapore des feuilles des cimes : il se forme alors un vide d’eau et une importante pression négative, jusqu’à −15 bars naît :

i
L’évaporation de l’eau provoque un vide et une pression négative (en rouge) qui peut alors aspirer de l’eau depuis les racines, situé beaucoup plus bas.

Cette pression est suffisante pour théoriquement tirer l’eau jusqu’à environ 150 mètres de haut, s’il le fallait, et donc beaucoup plus haut que les 10 mètres obtenus avec la seule pression de 1,013 bars atmosphérique.

Mais l’eau ne bout-il pas placé dans un vide ?

Normalement, quand un liquide est placé dans un vide, il bout : la pression est assez faible et il apparaît des poches de vapeur au sein du liquide. Ainsi, à 80 °C au niveau de la mer, l’eau ne bout pas. Mais en haut de l’Everest, la pression est plus basse, et l’eau portée à 80 °C se met à bouillir. En fait, l’eau peut même bouillir dès 20 °C, si la pression est suffisamment basse.

Cependant, si le liquide est suffisamment pur, ceci n’arrive pas.

Et pas seulement l’ébullition : l’eau peut rester liquide à des températures inférieures à 0 °C (surfusion) ou supérieur à 100 °C (surchauffe), même à pression ambiante. L’eau peut ne pas bouillir et rester entièrement liquide. Ceci peut également avoir lieu à basse pression : l’eau peut ne pas bouillir sous −15 bars.

La condition à avoir pour ces trois cas (surfusion, surchauffe et eau liquide sous très basse pression) est l’absence de sites de nucléation dans l’eau.
Les bulles de vapeur (ou les cristaux de glace) apparaissent sur les impuretés présentes dans l’eau (poussières, bulles…). Quand il n’y en a pas, l’eau reste à l’état liquide. L’eau est alors dans un état méta-stable : une petite impureté suffit à la faire bouillir ou geler instantanément, mais si l’on n’y touche pas, l’eau reste liquide.

Maintenant, si les feuilles font évaporer de l’eau, c’est qu’il y a une ouverture, et donc l’air peut rentrer, former des bulles, produire des sites de nucléation et provoquer une ébullition.
Ceci n’arrive pas non plus sur les arbres, car l’ouverture au niveau des feuilles est microscopique : 20 à 200 nanomètres seulement. À cette échelle, la tension de surface de l’eau dans ces ouvertures est plus forte que la tendance de l’eau à former des bulles de vapeur. Seules les molécules en surface arrivent à s’évaporer une par une, mais le reste se maintient à l’état liquide. Et comme j’ai dit, si de l’eau s’évapore, il se forme un vide d’eau et donc une pression négative.

Les pressions négatives dans les liquides sont aussi ce qui permet à un cylindre hydraulique de fonctionner. Une pelleteuse tend son bras en envoyant de l’huile dans les cylindres. Mais si l’huile se mettait à bouillir, il serait impossible de rentrer un bras déployé : le bras resterait tendu en avant et l’huile bouillirait jusqu’à ce que la vapeur d’huile remplisse le cylindre, sans produire aucune force hydraulique.

Et la pression osmotique ? et la capillarité ?

La pression osmotique, c’est le nom donné à la force (la pression) qui pousse l’eau à aller d’un endroit faiblement chargé en soluté vers un endroit fortement chargé en soluté. Par exemple, entre deux cellules aux concentrations en sels minéraux différentes :

i
Sous l’effet d’une différence de concentration, c’est l’eau qui se déplace pour diluer davantage la cellule la plus concentrée.

Ce phénomène est provoqué par le sel lui-même : le potentiel chimique créé par le sel en solution va pouvoir provoquer un déplacement d’eau de la cellule avec un haut potentiel (peu de sel) à la cellule avec un plus faible potentiel (beaucoup de sel).

Ce phénomène existe dans le vivant, y compris les animaux et l’être humain, et c’est principalement lui qui permet aux cellules de rester hydratés (sauf si on boit l’eau de mer, salée, qui nous déshydraterait !).
Cela dit, ce phénomène ne peut pas expliquer le fait que certains arbres poussent dans des environnements fortement chargés en minéraux. Si la pression osmotique était la seule à opérer, alors l’eau serait au contraire drainée hors de la plante, et pas dedans.

Quant à la capillarité, le phénomène qui permet à l’eau de remonter légèrement dans une paille, ou de remonter dans un morceau de sucre, c’est un phénomène lié à la tension de surface. L’eau tend à légèrement remonter sur les parois d’un tube, et ceci d’autant plus que le tube est fin.
Ceci dit, avec un tube de 200 micromètres (du diamètre des cellules des arbres), la capillarité seule ne permet à l’eau que de monter sur un mètre seulement. Très loin de la taille d’un arbre, donc.

Conclusion

Cet article est un autre dans la série destinée à montrer l’étonnant monde des végétaux, le précédent étant sur le mécanisme qui permet au tournesol de suivre le Soleil durant la journée.

On montre ici que les arbres peuvent défier les phénomènes physiques basiques (pression hydrostatique) et utiliser des choses bien plus complexes (évaporation, pression négative d’un liquide) auquel on ne pense pas forcément au premier abord.

Ressources :

image d’en-tête de Stanley Zimny

Comment un tournesol fait pour s’orienter face au Soleil ?

mercredi 17 juillet 2019 à 06:39

Des tournesols dans un champ.
La France est l’un des plus gros producteurs d’huile de tournesol du monde et par conséquent, on trouve des champs de tournesols un peu partout. Ces plantes sont géantes, mesurant parfois plus de 4 mètres de haut, et si leur nom « tournesol » ne vous l’a pas encore dit, ces fleurs ont la particularité de suivre la position du Soleil dans le ciel.

En réalité, ce sont juste la tête et les feuilles du tournesol qui suivent le Soleil, et uniquement durant leur phase de croissance. Une fois fleurie, la fleur elle-même ne suit pas le Soleil et reste orientée vers l’est, là où le Soleil se lève.

La question qui vient maintenant est pourquoi, d’une part, et comment d’autre part, une plante peut faire tout ça ?

Pourquoi suivre la position du Soleil ?

Les végétaux puisent leur énergie dans la lumière du Soleil et leur nourriture dans l’air. Oui, dans l’air et non pas dans le sol : un arbre de plusieurs dizaines de tonnes est principalement composé de carbone, d’oxygène et d’hydrogène.

L’hydrogène et l’oxygène sont prises dans l’eau provenant du sol, mais le carbone, lui, provient du CO2 capté dans l’air. Le reste des nutriments captés dans la terre (phosphore, azote, potassium…) ne constituent en réalité qu’une petite partie de la masse de la plante.
Aussi, ceci explique pourquoi un arbre qui pousse ne laisse pas un trou ou un affaissement dans le sol : tout ce qui semble « sortir de terre » provient en réalité de l’atmosphère, pas du sol.

Revenons à la lumière du Soleil : c’est la source d’énergie de la plante. Au cours de la photosynthèse, c’est l’énergie du Soleil qui permet de séparer le carbone, utile à la plante, de l’oxygène, qu’elle rejette.
On peut donc comprendre que plus la plante reçoit de lumière, plus elle pratique la photosynthèse et plus elle obtient de matière pour pousser.

Lors de sa croissance, le tournesol suit donc le Soleil afin d’être toujours orientée face à la lumière : une feuille qui se trouve perpendiculairement à la lumière capte plus de lumière et en absorbe une plus grande partie.

Les larges feuilles du tournesol, ainsi fortement exposées, permettent à la plante de pousser jusqu’à dix centimètres par jour ! La croissance d’un tournesol est assez fascinante et surtout très rapide.

Cela dit, qui dit une plus forte exposition au Soleil, dit aussi un plus fort échauffement. Pour éviter de griller, les plantes transpirent : c’est l’eau qui absorbe et évacue l’excès de chaleur en s’évaporant, et la plante reste fraîche (ceci explique aussi pourquoi il fait toujours bien frais dans une forêt ou dans un parc rempli d’arbres et de gazon).
Pour palier une transpiration excessive (surtout en cas de sécheresse), la plante secrète des composés huileux qui limitent la transpiration. Le tournesol contient une bonne quantité d’huile (surtout ses graines, qui en contient jusqu’à 30 % d’huile en masse), qui est alors récoltée et utilisée par l’être humain, à la fois pour manger que pour produire du carburant.

En résumé, le tournesol contient de l’huile pour contrôler la transpiration, transpire car elle se sur-expose au Soleil, et se sur-expose au Soleil afin de pousser plus rapidement. Tout est donc lié.

Bien, maintenant que l’on en sait un peu plus sur ces plantes, voyons le mécanisme derrière la rotation du tournesol.

Comment le tournesol tourne-au-sol(eil) ?

La plante n’a ni yeux pour voir ni muscles pour bouger. Comment fait-elle pour tourner ?

L’effet de se tourner vers le soleil se nomme l’héliotropisme. Ce mécanisme dérive principalement de l’auxine, l’hormone de croissance des plantes. En période de croissance, elle est produite sous la fleur et au niveau des feuilles. Quand le tournesol est exposé au Soleil, l’auxine est uniquement libérée du côté qui se trouve à l’ombre : la face située à l’ombre pousse donc plus rapidement que la face se trouvant éclairée :

Un tournesol qui tourne au cours de la journée.
Au fur et à mesure que le Soleil se déplace dans le ciel, la partie à l’ombre de la plante change, et donc en fin de journée, c’est la partie qui était à éclairer le matin qui se trouve désormais à l’ombre et qui pousse davantage :

Un tournesol qui tourne au cours de la journée.

À noter que ceci ne se produit en réalité que sous la fleur et les feuilles et seulement quand la plante est en croissance, les seuls endroits de la plante et moments de sa vie où il y a une forte production d’auxine.

Une fois que la plante a bien poussée et est en floraison, la plante ne pousse plus, ne produit plus d’auxine et le mouvement est moins important ou s’arrête. En fin de floraison, la plante concentre son énergie dans la fleur afin de faire mûrir les graines.

Conclusion

Les plantes, bien que souvent vues comme des êtres vivants passifs n’en sont pas moins fascinantes.

L’orientation de la fleur et des feuilles du tournesol est provoquée par l’exposition à la lumière : la partie éclairée pousse en réalité moins vite que la partie à l’ombre, et c’est donc la face ombragée qui provoque l’inclinaison de ces parties de la plante, le tout dans le but de capter le plus de lumière possible.

Les tournesols sont loin d’être les seuls à avoir ce comportement. Si vous avez des plantes d’intérieur, vous avez probablement remarqué que les fleurs ou plantes poussent en direction de la lumière du Soleil.

De plus, si le tournesol de nos régions cherche à capter le plus de lumière possible en orientant ses feuilles perpendiculairement aux rayons du Soleil, certaines plantes font l’inverse et orientent les feuilles parallèlement à la lumière. Bien que cela réduit sa captation d’énergie, cela a aussi pour effet de réduire la transpiration et l’échauffement de la plante. La plante réduit ainsi sa croissance au profit d’une meilleure gestion des ressources en eau dont elle dispose.

Image d’en-tête : travail personnel

Pourquoi le moment le plus chaud de la journée n'est pas midi ?

lundi 1 juillet 2019 à 06:01

Le Soleil dans le ciel.
Par définition, « midi » désigne le moment de la journée où le Soleil culmine au plus haut dans le ciel. En France, en raison du fuseau horaire qui ne coïncide pas avec l’heure solaire, le point de culmination du Soleil n’a lieu qu’à 13 h en hiver et à 14 h en été (à cause de l’heure d’été).
En France et en été, donc, le moment où le Soleil est au plus haut dans le ciel est 14 h. C’est à ce moment que les rayons du Soleil sont les plus concentrés et qu’ils tapent le plus fort.

Une question intéressante est donc : si à 14 h le Soleil est au plus haut, pourquoi n’est-ce pas le moment le plus chaud de la journée ?

En effet, le moment le plus chaud de la journée se trouve plutôt autour de 16-17 h, voire 18 h en période de très fortes chaleurs.
Voyez par exemple sur ces températures relevées à Clermont-Ferrand, les 26, 27 et 28 juin 2019 (températures relevées à 2 mètres du sol — source) :

Relevés de température des 26, 27, 28 juin 2019.
Le décalage est très prononcé : le pic se trouve vraiment en fin d’après-midi et pas vers 14 h.

Dans cet article, on va voir pourquoi il fait plus chaud après que le Soleil soit passé par son point le plus haut dans le ciel.

Le Soleil ne chauffe pas l’air !

L’origine de ce décalage tient de l’inertie thermique du sol et de la façon dont l’air est chauffé. En effet, la lumière du Soleil, qui transporte l’énergie du Soleil (aussi bien lumineuse que thermique) traverse l’air, le verre et l’eau : l’énergie n’est donc pas absorbée par ces matériaux. La lumière du Soleil ne chauffe donc pas l’air.

Le sol, la terre, par contre, sont opaques. Ils absorbent une bonne partie de l’énergie reçue du Soleil (et réfléchissent le reste). Quand le Soleil brille, c’est donc le sol qui s’échauffe le premier.
Une fois chaud, le sol rayonne lui-même de la chaleur. Il fait ça en émettant du rayonnement infrarouge. Ce sont alors ces infrarouges qui sont absorbés par l’atmosphère (en particulier par les gaz à effet de serre).

L’atmosphère piège donc le rayonnement émis par le sol, et c’est là seulement qu’il commence à chauffer. L’air est donc chauffé après que le sol soit chauffé, or ceci prend du temps.

Une journée d’été typique est donc composée en plusieurs parties :

Or, la période autour de 16-17 h constitue le moment où l’air est le plus chaud : il a absorbé tout ce qu’il pouvait en provenance du sol.

S’il fait le plus chaud autour de 16-17 h, c’est donc surtout parce que le sol prend du temps pour se réchauffer.

Durant la nuit, le sol n’est plus réchauffé. La chaleur du sol continue néanmoins de rayonner dans l’air. La chaleur de l’air, elle, rayonne vers l’espace. Durant la nuit, donc, la température baisse, car la chaleur est évacuée.

Ceci est aussi vrai au cours d’une année

De la même façon, on peut observer que le jour le plus long de l’année est le 21 juin (±2 jours). Pourquoi, quel que soit l’endroit (en France du moins), le mois le plus chaud de l’année est plutôt août ? Là encore : si les jours sont les plus longs en juin, pourquoi est-ce qu’il fait plus chaud en août ?
Et pourquoi le mois de décembre n’est-il pas le mois le plus froid, au lieu de janvier-février ?

Dans l’ensemble, il s’agit globalement du même principe, juste étendu sur l’année et pas une seule journée.

Au printemps, le sol sort de l’hiver. Il est froid. Durant le printemps, le sol se réchauffe lentement. Arrivé en juin, il n’est plus froid et va commencer à réellement accumuler de la chaleur, et donc à pouvoir chauffer l’air (plus seulement lui-même). C’est pour ça que les mois où l’air (et donc le ressenti) sont le plus chaud sont après les mois de juin : juillet, août et même jusqu’à septembre.

Et en hiver, c’est l’inverse : en décembre, la neige tient rarement, car le sol a encore un peu de chaleur résiduelle de l’été. Ce n’est que vers janvier-février que le sol est vraiment froid et qu’il ne peut plus faire fondre la neige et que cette dernière tient bien.

Tout ceci n’est pas un phénomène isolé et dépend vraiment de la latence qu’a le sol entre le moment où il absorbe la chaleur et le moment où cette chaleur est restituée à l’air.

On l’observe partout : casserole d’eau qui reste 5 minutes sur le feu n’est pas au plus chaud au milieu de cette période (après 2 minutes 30), mais tout à la fin, au moment de couper le feu. Même si on chauffe beaucoup au début et qu’on baisse le feu ensuite, l’eau sera à son plus chaud juste avant d’éteindre le feu.

Si maintenant on place un œuf froid dans l’eau chaude, même hors du feu, alors l’œuf continuera de chauffer même hors du feu, jusqu’à ce que l’eau se soit totalement refroidi, bien-sûr.

image d’en-tête de Taylor and Kevin

Le Nitinol : métal à mémoire de forme

mardi 25 juin 2019 à 18:27

Des ressors métalliques.
Il est fort probable que vous ayez déjà entendu parler des métaux à mémoire de forme : c’est le genre de fil métallique que vous tortillez dans tous les sens et qui reprend sa forme initiale quand vous le trempez dans l’eau chaude. C’est assez spectaculaire et ça a nombre d’applications dans les domaines médicaux ou aéronautiques.

Le plus connu de ces métaux est le Nitinol, dont le nom provient de sa composition « Ni-Ti » pour « nickel-titane » et « nol » pour Naval Ordnance Laboratory, le labo qui l’a mis au point).

Il y a plusieurs choses à dire sur ce métal, y compris le « comment c’est possible ?! ». N’attendons donc plus !

Les propriétés du Nitinol

Le Nitinol est un alliage de nickel et de titane en proportions variables. Les proportions déterminent la température au-delà de laquelle l’effet « mémoire de forme » intervient. Vous pouvez avoir du fil de Nitinol qui reprend sa forme dès 40 degrés et un autre à 80 degrés, par exemple.

La mémoire de forme n’est pas la seule propriété du Nitinol. Cet alliage est également un métal dit « super-élastique ».

Un fil métallique ordinaire, comme le fer ou le cuivre, peut être légèrement courbé et il reviendra à sa position de repos. C’est ce qu’on appelle l’élasticité : c’est ça qui permet à un ressort de pouvoir s’allonger ou se comprimer.
Si on tire un peu trop sur le ressort cependant, il se déforme de façon permanente. On dit qu’on a dépassé la limite d’élasticité du métal. Les métaux ordinaires peuvent ainsi être tordus et travaillés sans qu’ils ne reprennent leur formes de façon subite.

Les métaux super-élastiques, comme le Nitinol, ont une limite d’élasticité très élevée au-dessus de leur température de mémoire de forme : ils peuvent être tordus de façon extrême, et reprendront leur forme quoi qu’il arrive.

La NASA prévoit d’utiliser des roues en mailles de Nitinol pour leur rover-martien. Il fait très froid sur Mars (−50 °C) et l’usage du caoutchouc est donc impossible. Les rovers actuels utilisent des roues en aluminium, mais ils ne sont pas assez souples et ils s’abîment gravement avec le temps. Avec le Nitinol, tissé comme une cotte de maille, ils espèrent avoir des roues increvables, souples et plus durables.

Un « pneu » en Nitinol
Un « Pneu en Nitinol », possible candidat pour les futurs rovers martiens (source).

Une autre application du Nitinol (liée aux deux précédentes) est sa capacité de traction. J’explique.

Quand on tire sur un élastique, il s’allonge. Si on le relâche, il reprend sa taille initiale. C’est donc de l’élasticité sur une seule dimension (une ligne). Le Nitinol est un métal qui peut s’allonger jusqu’à 30 % quand on tire très fortement dessus.
Le truc c’est que si on le chauffe ensuite, il peut se rétracter. Si on accroche des masses à chaque extrémité du fil, alors la rétractation du fil permet de déplacer les masses. Un simple fil peut ainsi soulever plusieurs kilos quand on le réchauffe.

D’où vient la mémoire de forme ?

La mémoire de forme du Nitinol est possible grâce à la structure et l’orientation des liaisons atomiques. La matière est formée d’atomes liés entre eux par des liaisons faites d’électrons et ces liaisons peuvent être déformées.

Pour un métal ordinaire, quand on le pli, il garde sa nouvelle forme mais ne reviendra jamais à l’ancienne. La raison à ça est que les liaisons atomiques sont modifiées : les liaisons se brisent et de nouvelles se recréent. Les nouvelles maintiennent alors le métal d’une façon stable et solide dans sa nouvelle forme.

Pour d’autres matériaux tels que le verre ou la roche (les matériaux cassants en fait), les liaisons atomiques ne peuvent pas se réorganiser comme dans les métaux : si on tire trop sur le matériau, les liaisons se brisent et le matériau casse.

Dans le cas du Nitinol, les liaisons sont elles-mêmes modifiées, mais chaque atome reste toujours lié aux mêmes autres atomes. Il n’y a donc pas de modification de la structure des liaisons et l’information « quel atome est lié avec quel autre » n’est pas perdue.

J’ai résumé ça ici :

Déformation des liaisons atomiques.
Dans le cas des métaux, il faut savoir qu’ils se comportent tous comme le Nitinol quand la déformation est très faible. C’est ça permet à un ressort de fonctionner et de reprendre sa forme. Si on déforme le ressort au delà de sa limite d’élasticité, alors la déformation est trop importante et il ne reprendra plus sa forme initiale.

Dans le cas du Nitinol, la limite d’élasticité est très élevée : les liaisons cristallines peuvent se déformer de façon très importante. En fait, c’est toute la structure cristalline du Nitinol qui est propice à une déformation : les liaisons sont naturellement obliques. Et selon le sens d’obliquité, le métal peut se déformer.

On observe donc plutôt quelque chose comme ceci :

Déformation du Nitinol.
La déformation des liaisons atomique du Nitinol permet de modifier la forme du matériau. (image)

Sur ce schéma, la déformation peut aussi bien se faire d’un côté que de l’autre. Mais le plus intéressant est de voir que cette déformation est rémanente… jusqu’à ce qu’on chauffe le métal !
Quand on chauffe le Nitinol déformé, par exemple en le trempant dans un verre d’eau, alors il y a une transition dans l’autre sens : le métal reprend sa structure initiale où les mailles cristallines sont orientées alternativement à gauche et à droite.

Le Nitinol a donc ceci en plus par rapport aux autres métaux que leur déformation est réversible sous l’effet d’une température modérée (inférieure à ~100 °C généralement, en tout cas loin de leur température de fusion).

Dans le cas d’un Nitinol dont la température de transformation est inférieure à la température ambiante (par exemple du Nitinol qui reprend sa forme à −50 °C), c’est donc comme si toute déformation était constamment inversée : si on tord le métal, il reprendra sa forme initiale dès qu’on le lâche. Il est donc totalement élastique : on peut le tordre comme on veut, il reprendra toujours sa forme initiale.

L’avantage du Nitinol, par rapport à d’autres matériaux élastiques comme la gomme ou le caoutchouc, c’est qu’il reste un métal : il est donc plus solide, conducteur de courant et d’électricité. De plus, il est produit à partir de métaux très communs (nickel et titane) et pas de dérivés pétroliers ou de résine d’arbres.
Une astuce est de le faire traverser par un courant électrique : c’est alors le courant électrique qui le réchauffe et lui permet de reprendre sa forme. Le courant permet alors de modifier la forme du métal. C’est donc comme un muscle, dont la déformation est obtenue par une impulsion de nature électrique.

Quelques applications

Le Nitinol est davantage utilisé pour ses propriétés super-élastiques : on utilise donc surtout du Nitinol dont la température de « reprise de forme » est très basse. Ainsi, j’en ai parlé, la Nasa envisage d’utiliser des roues en maillage de Nitinol sur le sol martien.

En médecine, on utilise des petites tubes en mailles de Nitinol pour maintenir des veines ou des artères ouvertes. Le métal peut être placé dans une petite seringue, et le tube se déploie quand on l’injecte, grâce à la température interne du corps humain.

En dentisterie, tous ceux qui ont déjà eu un appareil dentaire (les bagues là, avec un fil qui relie chaque dent) ont probablement eu un fil à base de Nitinol à mémoire de forme. C’est aussi pour ça que manger quelque chose de froid permet de soulager un peu la traction exercée par l’appareil sur les dents : le métal passe alors dans une phase où il tire moins sur la dentition.

Enfin, outre l’effet « amusant » des échantillons de Nitinol que l’on utilise pour amuser la galerie en soirée avec un simple verre d’eau chaude, on peut créer d’autres jouets avec. Par exemple, le moteur au Nitinol :

Un petit moteur au Nitinol. La partie plongée dans l’eau a tendance à vouloir se raidir. Sous cet effet, il tire sur le reste du fil et l’entraîne dans l’eau. De l’eau côté, le fil qui sort de l’eau refroidit et s’assouplit. L’ensemble continuera de tourner tant qu’on le chauffe. (vidéo de @Physicsfun)

Il existe également d’autres moteurs à base de Nitinol, à une échelle industrielle, pouvant produire jusqu’à 5 MW juste avec de l’eau chaude. Ces dispositifs pourraient utiliser de la chaleur autrement perdue dans la nature avec un régénérateur, à la manière d’un moteur de Stirling.

Conclusion

Encore une fois, un phénomène macroscopique est expliqué par la structure cristalline des matériaux. En l’occurrence, le Nitinol peut être tordu ou déformé comme n’importe quel métal. Ce sont alors les liaisons atomiques qui se déforment sans se défaire. Contrairement à un métal comme le fer ou l’aluminium, où les atomes modifient leurs liaisons, chaque atome du Nitinol reste lié aux mêmes atomes. Quand on réchauffe le Nitinol, les liaisons atomes sont « réinitialisées » et le métal revient à la forme initiale.

Si on ne peut pas modeler du Nitinol car il reviendra à sa forme première dès qu’on le chauffe, sa forme initiale est donnée exclusivement en le fondant ou en le chauffant très fortement, autour de 500~1 000 °C. En faisant ça, le Nitinol se comporte comme tout autre métal : on peut le tordre et il gardera sa forme. Et c’est cette forme, donnée à ce moment-là, qui deviendra sa forme « mémorisée » une fois refroidie.

Enfin, sachez que le Nitinol n’est pas le seul métal à mémoire de forme. Il en existe d’autres, comme l’alliage or-cadmium (très cher et toxique) ou plus communément le laiton (mais à la mémoire de forme loin d’être aussi prononcée).

On trouve des échantillons de Nitinol un peu partout en ligne et pour pas cher : Amazon, eBay ou sur Nexmetal, un site spécialisé, que ce soit sous la forme d’un simple fil ou d’un trombone, un cœur, un ressort (pour le petit jouet de la vidéo, voyez ici ou )… Vous pouvez même choisir la température de transition (je recommande ~40 °C ou 50 °C : un verre d’eau tiède suffira alors), la longueur, la forme…

image d’en-tête de Nick Normal

La radioactivité dans les objets du quotidien

mercredi 19 juin 2019 à 20:46

Un personnage en légo avec le logo radioactif.
La radioactivité est une chose qui fait peur. Trop peur pour ce que c’est, à mon avis : comme tout, c’est la dose qui fait le poison. Il y a un grand nombre de cas où la radioactivité ou les rayonnements sont utilisés à des fins utiles. Cet article est là pour en lister une partie.

En dehors de l’énergie nucléaire et des armes atomiques, on trouve des produits radioactifs dans plein d’autres endroits, pour divers usages positifs.

La vaisselle ouraline

Loin est le temps où l’on vendait du chocolat ou des carafes d’eau au thorium, ou des vêtements et crèmes pour la peau au radium (pour briller en société, je suppose) : la nocivité de la radioactivité a depuis été prouvée et ces produits sont fort heureusement retirés de la vente.

Il subsiste encore la vaisselle à l’uranium : les verres « ouraline ». Il s’agit d’un verre contenant des ions diuranate, contenant de l’uranium, et donnant au verre une teinte jaune-verte très particulière. Ce n’est pas tout : placé sous la lumière noire, les ion diuranate sont fluorescents : ils brillent d’un fort éclat sous les UV :

De la vaisselle en ouraline, fluorescent sous lumière UV.
(image)

Si tout le monde n’a pas de lumière noire chez lui, l’ouraline réagit également aux UV présents dans la lumière du Soleil : un verre ou un plat en ouraline brille d’un éclat magnifique au soleil, bien plus qu’un simple verre teinté en jaune. Cette propriété est connue depuis des siècles et reste (très minoritairement) utilisée aujourd’hui : il existe encore quelques fabricants, même si cette vaisselle d’une autre époque reste surtout trouvée sur les brocantes.

L’uranium dans le verre n’est que peu radioactif et les quantités utilisées restent faibles (l’uranium en soi n’est que peu radioactif : son temps de demi-vie est de l’ordre de l’âge de la Terre), et le verre lui-même suffit généralement à stopper une partie des émissions. Il reste cependant toxique : tailler de l’ouraline est une activité peu recommandée. Si vous avez une telle vaisselle, il est également recommandé de ne plus l’utiliser et la remplacer.

Les bananes et le sel de potassium

Les bananes sont des fruits riches en potassium, comme le chocolat noir. Le sel de régime (où le sodium est remplacé par du potassium) est également riche en potassium.

Pourquoi parler de ça ? Tout simplement car tout le potassium n’est pas stable : environ 0,01 % des atomes de potassium sont radioactifs (avec une demi-vie d’environ 1,25 milliard d’années). Ça ne semble pas énorme, mais ça représente toujours des trillions d’atomes radioactifs par pincé de sel ou par banane.

Bien-sûr, ce niveau de radioactivité est faible et ne présente pas de danger (il est à peine détectable). Le vivant s’est adapté à ça et les cellules présentent des mécanismes de réparation de l’ADN pour palier ses effets.

Néanmoins la radioactivité du sel de régime existe et qu’elle peut être détectée avec un compter Geiger-Müller un peu sensible sur une exposition un peu longue… de même que la radioactivité du corps humain, là aussi due au potassium présent dans le corps.

Le granite

Le granite est une roche magmatique provenant du manteau terrestre. Il est naturellement « riche » (tout est relatif) en éléments comme l’uranium et le thorium, tous les deux radioactifs.
Même si ces deux métaux présentent les mêmes risques pour la santé que les métaux lourds, tant qu’ils sont dans la roche, ils ne présentent aucun danger : ce n’est que quand ils sont ingérés qu’ils deviennent dangereux.

Le problème des produits radioactifs, c’est qu’ils transmutent : l’uranium se transforme et l’un des descendants de la chaîne de désintégration radioactive de l’uranium (et du thorium aussi) est le radon. Ce dernier est un gaz. Généralement, il remonte à la surface passe dans l’air et c’est là qu’il devient dangereux.

Certaines régions de France sont ainsi surveillées. En particulier, si vous avez une cave creusée dans la roche granitique, il devient assez important de la ventiler convenablement.

Les détecteurs de fumée

Aujourd’hui les détecteurs de fumée fonctionnent à base de LED. Il n’en a pas toujours été ainsi et les anciens modèles (désormais interdits !) embarquaient quelques nanogrammes d’américium 241, un matériau dix millions de fois plus radioactif que l’uranium !

Ce matériau servait à produire des particules alpha lors de sa désintégration radioactive. En cas de fumée, ces particules étaient bloquées, n’arrivaient plus à la cellule de détection et l’alarme se détectait. Je vous laisse lire en détail mon article sur les détecteurs de fumée… et vérifier que votre détecteur de fumée fonctionne à LED ou non (il devrait si vous l’avez acheté après 2002 et en France).

Bien-sûr, la quantité d’américium 241 était minuscules et ne présentaient pas de risques directs (sauf si vous le mangiez, mais ce n’est pas recommandé à la base). Quoi qu’il en soit, aujourd’hui on utilise une technologie à base de LED pour les détecteurs de fumée, mais l’ASN (Autorité de sûreté nucléaire) estime encore à environ 7 000 000 les détecteurs de fumées radioactifs en usage en France.

Les pacemakers

On serait en droit de se demander si mettre de la radioactivité dans un objet aussi vital qu’un pacemaker semble normal, pourtant ce fut bel et bien le cas : les pacemaker doivent fonctionner de façon ininterrompue durant des années, voire des décennies. Un des défis est alors de trouver une source d’énergie capable de délivrer de l’électricité aussi longtemps.

Durant longtemps, ce rôle était rempli par une source au plutonium : le plutonium est si radioactif qu’il chauffe sous sa propre radioactivité. Cette chaleur est captée par un module Peltier pour la transformer en électricité. Ce système permettait de fonctionner régulièrement durant 20 ans :

Du plutonium chauffé au rouge.
Du plutonium rougeoyant sous sa propre chaleur (image)

Là aussi, l’usage de pacemaker au plutonium n’est plus d’actualité et aujourd’hui on préfère (à raison) utiliser des piles au lithium, aussi performantes sans problème de radioactivité.

Cette méthode — utiliser un échantillon de plutonium recouverte de thermocouples à effet Peltier — est toujours utilisée dans l’espace : certaines sondes spatiales les utilisent à la place de panneaux solaires, quand la sonde est emmenée à voyager aux confins du système solaire, loin du Soleil.

Les tubes au tritium

un tube au tritium
Un porte clé comportant un tube au tritium ([image|image)

Toujours plus étonnant, on trouve des sources lumineuses (généralement vertes) qui fonctionnent sans batterie ni aucune source externe et qui pourtant éclairent durant des dizaines années. Ce type d’éclairage constant et très étendue dans le temps est utile par exemple pour les signes « sortie de secours ». Ces signes doivent pouvoir fonctionnent également (et surtout) en cas de coupure de courant, donc sur une source d’énergie isolée.

Aujourd’hui, ces signes fonctionnent avec des piles rechargeables, mais à l’origine on utilisait des tubes fluorescents au tritium gazeux (tubes GTLS).

Le tritium est un isotope de l’hydrogène, naturellement présent dans l’univers et aussi sur Terre (dans l’eau). Cet isotope est instable et il se désintègre avec une demi-vie d’environ 12 ans. Les tubes au tritium utilisent l’électron émis lors de la désintégration pour exciter une peinture fluorescente et produire de la lumière.

Des portes clés utilisent ce système : une minuscule quantité de tritium est emprisonnée dans un tube transparent sur le porte-clé et ce dernier brille de façon continue dans l’obscurité durant des années.
On peut les trouver un peu partout en ligne, mais ils sont interdits dans certains pays, y compris en France.

Les fours à micro-ondes

Vue en coupe d’un magnétron.
Vue en coupe d’un magnétron. La cathode centrale (au thorium) n’est pas visible. (image - source)

Le fonctionnement du four à micro-ondes (envoyer des ondes électromagnétiques sur la nourriture pour la réchauffer) n’implique en aucun cas d’utiliser de matériau radioactif.

En revanche, le magnétron qui produit les micro-ondes au sein de votre four contient un filament en alliage tungstène-thorium (aux proportions 99 %/1 %). Ce thorium est radioactif. Il est utilisé ici car il est facilement ionisable, mais sa radioactivité n’est que sans intérêt ici.

Bien que le thorium soit un combustible nucléaire (pour les centrales à sels fondus au thorium), sa présence dans votre cuisine est sans risque… du moins tant que vous ne mangiez pas le magnétron préalablement extrait du four et réduit en poudre.

Les baguettes de soudure

Pour la soudure à arc sont utilisées des baguettes de soudure, généralement en tungstène : ce métal résiste très bien à la chaleur (ne fond pas avant 3 400 °C). Vu qu’on fait passer un fort courant dans les baguettes pour les chauffer et produire un arc électrique, il est primordial que cet arc électrique soit stable.

Pour cette raison est ajouté du thorium, sous la forme de dioxyde de thorium, dans le tungstène. La teneur en matériel radioactif va de 1 à 4 %, mais reste globalement à 2 %, pour une activité radioactive d’environ 140 becquerels par gramme (soit environ 3 000 becquerels, et donc de désintégrations par seconde, pour une électrode d’une vingtaine de gramme).

Les montres au radium

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Une montre antique (source)

Un classique : à l’époque où la radioactivité était encore une nouveauté sans dangers et qu’on en mettait partout, une des applications fut d’exploiter les radiations. L’un des éléments radioactif en vogue (et le premier à être découvert par Marie Curie) était le radium.

Il était par exemple utilisé dans des peintures phosphorescentes sur les aiguilles des montres de poche : les radiations excitaient les pigments phosphorescents qui luisaient dans la nuit (le même principe que les tubes au tritium ci-dessus).
Depuis, la peinture phosphorescente sans radium a été mise au point, mais certaines de ces montres existent encore et sont encore faiblement radioactives.

Pour mesurer le remplissage des canettes

Dans l’industrie agroalimentaire, quand il s’agit de remplir les pots ou les boîtes de conserve, on n’utilise pas un verre doseur, mais plutôt un système optique qui détecte le niveau de remplissage. Un système optique est possible pour les pots en verre ou en plastique transparent, mais pour les pots et canettes ?

Dans le cas où les récipients ne sont pas transparents, il est utilisé des rayonnements qui traversent le métal : des rayonnements issues de la radioactivité d’isotopes du krypton, césium, américium, cobalt ou encore prométhéum ! Dans le cas d’une canette, le rayonnement traverse la cannette vide mais une fois qu’elle est remplie au bon niveau, le rayonnement est bloqué, le remplissage s’arrête et la canette est scellée.

Le même système est utilisé pour constituer des ramettes de feuilles d’exactement 500 feuilles, ou pour mesurer le taux de particules dans l’air : plus il y a de particules, plus le rayonnement est absorbé.

Dans tous les cas, ce rayonnement ne reste pas dans la nourriture (ou le produit) et cette méthode ne produit pas de risques pour les consommateurs.

Dans la sécurité

Si les détecteurs dans les aéroports utilisent du rayonnement X pour s’en servir comme lors d’une radiographie, certains autres dispositifs — les dispositifs à spectrométrie de mobilité ionique, ou IMS – utilisent des sources radioactives. Ce sont des spectromètres portables, c’est-à-dire qu’ils permettent d’analyser une substance quelconque et d’en donner la composition.

Le principe de fonctionnement est le suivant : on place un échantillon à analyser dans l’appareil. L’échantillon est chauffé et se vaporise. Le gaz est ensuite soumis à un rayonnement ionisant : les molécules sont ionisées et donc chargées électriquement. On les fait ensuite passer dans un champ électrique ce qui va accélérer les ions en direction d’un détecteur. Le détecteur permet de mesurer le temps, la vitesse d’impact, la masse des molécules et d’en déduire (d’après une base de données) la nature de l’échantillon.
Les appareils IMS utilisées par la police permettent ainsi d’identifier une quarantaine de substances, comme des drogues ou des explosifs, de façon instantanée.

Dans l’appareil, l’ionisation est réalisée par un isotope radioactif artificiel de nickel : le 63Ni.

Dans les lampes de camping au gaz

Une lampe de camping au gaz.
Une lanterne de camping au gaz. La lumière blanche, très éclairante, provient d’un manchon de tissu incandescent (image).

Les lampes de camping fonctionnent au gaz et tirent la lumière d’une flamme. Or, une flamme de gaz brûle avec une lumière bleue pas vraiment lumineuse (comme celle de votre gazinière). Les lampes de camping possèdent donc une sorte de toile pour recouvrir le brûleur, appelé manchon à incandescence (ou manchon Auer).

Une fois le gaz allumé, le tissu fin du manchon chauffe, rayonne et éclaire. La fine toile du manchon lui permet déjà d’émettre un important rayonnement, mais ce n’est pas tout.

Jusque dans les années 1990, il était courant que ces manchons soient imprégnés d’oxyde de thorium 232, un élément radioactif (et aussi d’oxyde de cérium, non-radioactif). Ces éléments sont là, car ils émettent fortement dans la lumière visible quand ils sont chauffés, permettant d’augmenter encore la luminosité des lampes.

Bien que le thorium soit radioactif, les manchons à incandescence n’en comportent pas assez pour constituer un danger direct. Le souci provient seulement de leur fragilité (une fois consumés, ils s’effritent et les poussières peuvent être respirées ou accidentellement ingérés).
Depuis 2002, les manchons à incandescence vendus en France ne doivent plus contenir de matériau radioactif. Néanmoins, il n’est pas rare que certains campings, particuliers, brocantes ou autre disposent encore de lampes dont le manchon contient du thorium, et aujourd’hui encore, la mention « sans thorium » peut figurer sur les emballages.

Dans les phares xénon des voitures

Les phares des voitures sont de plus en plus des lampes à décharge, généralement au xénon ou à l’argon. Ces lampes sont plus efficaces que les lampes fluorescentes ou les ampoules à incandescentes. Leur principe est d’envoyer une haute tension dans un filament plongé dans un gaz (le xénon / argon). La haute tension ionise le xénon ce qui le rend conducteur : le courant peut donc traverser la lampe en passant par le gaz.
Le gaz, excité, se désexcite en libérant un photon de lumière : c’est comme ça que ces phares produisent de la lumière et éclairent.

Pour faciliter le passage du courant et allumer les phares plus rapidement lorsqu’on met le contact, le gaz est maintenu à un état d’ionisation très faible, mais constante à l’aide de matériel radioactif. Dans les phares des voitures, à l’argon et au xénon est parfois ajouté un isotope instable de krypton : le krypton 85. Dans d’autres lampes, on incorpore du thorium dans les électrodes, le filament.

Les rayonnements émis par ces éléments ionisent légèrement le gaz des lampes, qui est alors suffisamment conducteur pour créer l’arc de départ. Une fois allumé, l’arc électrique se maintient tant que le courant circule.

Sur les paratonnerres

Un paratonnerre est un dispositif qui est censé attirer les éclairs et les conduire dans le sol, de manière contrôlée : ceci évite qu’un éclair tape dans un arbre, une maison ou sur tout autre structure susceptible de causer des dommages :

Un éclair frappe le sommet de la Tour Eiffel.
Photo d’un éclair frappant la Tour Eiffel lors d’un orage. (photo de Bertrand Kulik, publiée avec son accord.)

Un paratonnerre est toujours en métal et placé en hauteur et termine en pointe, pour justement tirer parti de l’effet de pointe : un phénomène où les électrons qui s’accumulent dans la pointe d’un fil conducteur finissent par être éjectés par répulsion électrique des autres électrons. Les électrons éjectés ionisent l’air, ce qui le rend conducteur et ça aide à attirer l’éclair.

Jusqu’en 1987, les paratonnerres étaient également équipés de pastilles au radium 226 et à l’américium 241 : deux matériaux très fortement radioactifs, sous produits de l’industrie nucléaire. Leur rôle était que les rayonnements qu’ils émettent favorisent l’ionisation de l’air, toujours dans le but d’attirer un impact de foudre à cet endroit (le même phénomène que dans les phares de voiture, ci-dessus).

Aujourd’hui, il reste encore 40 000 paratonnerres radioactifs qui sont installés en France, malgré leur interdiction et leur danger (leur radioactivité se chiffre en mégabecquerels, voire centaines de mégabecquerels).

Sur certains carreaux de cuisine

L’industrie nucléaire civile n’utilise que l’uranium enrichi (en uranium 235) et considère l’uranium appauvri comme un déchet. Une façon de rentabiliser ce déchet a longtemps été de le vendre à des entreprises qui l’ont alors utilisé pour différentes applications, en particulier des pigments colorés pour des peintures.
On retrouve ces peintures généralement ocre-rouge sur des bijoux, mais aussi des surfaces peintes (tableaux) ou des carreaux émaillées (dans les cuisines, les salles de bain ou sur les tables, les meubles).

La vente et l’incorporation de radio-éléments dans des produits de consommation est interdite (sauf dérogation) depuis 2002, en France, mais là encore, on peut encore trouver assez facilement des particuliers et des antiquaires.

Sur les poteaux des lignes électriques

La téléphonie fixe passe par le réseau téléphonique fixe, sur un circuit électrique propre et déconnecté du réseau EDF (on peut l’utiliser même en cas de coupure de courant). Ce réseau est sujet aux orages et aux surcharges de tension. Aussi, Orange (ex-France Télécom) a installé des parasurtenseurs partout sur les lignes.

Ces dispositifs permettent de détecter une surcharge de tension et canaliser cette surcharge là où il ne risque pas d’endommager le circuit (vers le sol par exemple). Le fonctionnement est le contraire d’un fusible : ce dernier se laisse toujours traverser par le courant, mais en cas de surcharge, il fond et coupe le circuit. Le parasurtenseur (aussi appelé « parafoudre »), lui, bloque le passage du courant (qui passe alors dans le circuit « utile ») sauf en cas de haute tension : dans ce cas, il devient passant et le circuit est court-circuité, protégeant l’installation électrique.

Les vieux parasurtenseurs utilisaient des tubes de gaz contenant un élément radioactif, destiné à maintenir un faible état d’ionisation et donc un faible niveau de conductivité dans le gaz (qui assure l’amorçage d’un arc en cas de surtension). Les éléments radioactifs variaient : radium 226, radon 222 (un gaz) ou encore du tritium (un gaz également).

Ces technologies sont aujourd’hui remplacées par d’autres systèmes (lampes à décharges, circuits électroniques…) mais l’ASN estime qu’il existe encore 700 000 à 1 000 000 de ces parasurtenseurs radioactifs sur le territoire.

La présence de ces dispositifs ne devrait pas être dangereuse, même s’ils sont capables d’affoler n’importe quel compteur Geiger ou contaminomètre. Ces parasurtenseurs France Télécom datent des années 1970 et sont donc usés, détruits ou parfois ouverts, laissant fuiter de la matière radioactive un peu partout, y compris près des habitations.

La Criirad (Commission de recherche et d’information indépendantes sur la radioactivité) a mis en ligne une série de vidéos où ils démontrent la radioactivité d’un parasurtenseur d’Orange et c’est assez impressionnant (surtout que je suis certains d’avoir déjà vu ces boîtiers, et je pense que vous aussi le reconnaîtrez).

Pour conclure

En conclusion, on voit tout de suite que des éléments radioactifs et la radioactivité se retrouvent un peu partout autour de nous, et c’est bien normal : la nature est radioactive aussi et nous utilisons ce que la nature nous offre. Parfois même, des dispositifs intrinsèquement radioactifs permettent de sauver des vies : les détecteurs de fumées, par exemple, ou de protéger des installations (évitant des incendies, par exemple), comme les paratonnerres et les parasurtenseurs.

On note également que le caractère radioactif des matériaux employés n’est pas toujours utile : dans les fours à micro-onde ou les manchons de lanterne au gaz, on utilise le thorium pour ses propriétés chimiques au sein du matériau. Dans d’autres objets, c’est au contraire le côté radioactif qui est mis à profit.

Néanmoins, il faut garder en tête que la plupart des technologies présentées ici sont aujourd’hui obsolètes et on sait faire mieux sans radioactivité. Les anciens dispositifs s’usant peuvent alors fuiter du matériel radioactif dans la nature ce qui peut présenter un risque pour les personnes, en particulier les professionnels, plus exposés. Ils sont peu à peu retirés de la circulation et on peut espérer qu’un jour on ne trouve plus de ces objets ailleurs que dans des musées, et nettoyés de leur danger radioactif.

Références

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