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Les batteries de voitures doivent beaucoup... à la relativité d’Einstein

ActualitéClassé sous :chimie , physique , relativité restreinte

Un groupe de physiciens suédois et finlandais vient de faire une découverte étonnante. Si les batteries au plomb de nos voitures fonctionnent efficacement, c'est en raison des effets relativistes intervenant dans la valeur des niveaux d'énergies des atomes de plomb impliqués dans les réactions électrochimiques.

Le physicien Albert Einstein, découvreur de la théorie de la relativité restreinte, qui n'est pas étrangère à l'efficacité des batteries au plomb. © Wikipédia, domaine public

Si la relativité générale est essentielle pour le bon fonctionnement de nos GPS, la théorie de la relativité restreinte serait, elle, à l'origine de l'efficacité de la batterie au plomb inventée par le physicien français Gaston Planté en 1859. C'est la conclusion surprenante à laquelle sont arrivés Rajeev Ahuja, Andreas Blomqvist et Peter Larsson de l'Université d'Uppsala (Suède), en collaboration avec Pekka Pyykkö et Patryk Zaleski-Ejgierd de l'Université d'Helsinki (Finlande).

La théorie d'Einstein ne devient pourtant nécessaire que pour des objets se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, alors comment peut-elle avoir des implications dans le fonctionnement de ces objets bien ordinaires que sont les éléments de batterie au plomb/acide que l'on met en série ?

La chimie est quantique

Pour le comprendre, il faut d'abord se souvenir que l'existence même des atomes, des molécules et des réactions chimiques repose sur les lois de la mécanique quantique et l'équation de la mécanique ondulatoire découverte par Schrödinger. Toute la chimie, de la liaison entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène dans une molécule d'eau jusqu'à celle intervenant dans la molécule d'ADN, est en réalité un secteur particulier de la physique quantique.

C'est ainsi que l'on peut, en théorie du moins, calculer la quantité de chaleur et la quantité d'électricité libérées par les réactions chimiques, ainsi que la différence de potentiel aux bornes d'un élément de batterie électrochimique, à partir de l'équation de Schrödinger.

En pratique, il faut souvent des ordinateurs, vite dépassés par des situations un peu complexes ou par la nature même de la physique quantique. C'est d'ailleurs pour cela que Richard Feynman a été l'un des pionniers de la notion d'ordinateur quantique, particulièrement adaptés à ce genre de calculs.

Des électrons relativistes

Toutefois, les électrons dans les atomes et les molécules se déplacent à des vitesses non négligeables par rapport à la vitesse de la lumière. L'équation d'onde des électrons découverte par Schrödinger ne tenait pas compte des effets relativistes apparaissant alors. Ou plus exactement, il fallait rajouter à la main des termes plus ou moins ad hoc pour introduire des corrections relativistes intervenant dans les calculs des niveaux d'énergies de ces électrons. 

Ces corrections relativistes découlent en réalité de l'équation d'onde relativiste pour un électron, découverte par Paul Dirac. Cette même équation qui lui a fait prédire la découverte de l'antimatière et qui gouverne les positrons générés à l'occasion des flashs gamma terrestres.

Les physiciens suédois ont comparé la valeur de la différence de potentiel aux bornes de chacun des six éléments d'une batterie au plomb, selon que l'on fasse ou non intervenir la théorie de la relativité d'Einstein dans les calculs quantiques.

Surprise ! De 80 à 85 % des 2,1 volts aux bornes de ces éléments trouvent précisément leur origine dans l'existence des corrections relativistes !

Si cette découverte n'a à priori pas d'implications pour construire des batteries plus performantes, par exemple pour des voitures hybrides, elle est intéressante en cette Année internationale de la chimie (AIC).

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