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Les frigos du futur seront peut-être magnétiques

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Certains matériaux peuvent être refroidis à l'aide d'un champ magnétique, un phénomène connu depuis plus d'un siècle. Dès les années 1930, les principes de la réfrigération magnétique par effet magnétocalorique étaient établis et ont permis de descendre bien en dessous de la température de liquéfaction de l'hélium. Les recherches se poursuivent pour réaliser des réfrigérateurs magnétiques domestiques, qui serait plus écologiques. Des scientifiques viennent de mettre la main sur un matériau qui ouvre une nouvelle voie de recherche dans cette direction.

D'ici dix ans, la réfrigération magnétique, actuellement plutôt utilisée pour de la cryogénie de pointe, pourrait envahir notre quotidien. Nos frigos et nos climatiseurs pourraient être magnétiques. © U.S. Food and Drug Administration

Dans sa célèbre bande dessinée Yoko Tsuno, Roger Leloup met en scène à plusieurs reprises une civilisation extraterrestre à la technologie avancée venant de la planète Vinéa. Elle est passée maître dans un procédé de mise en biostase qu'elle utilise pour de longs voyages interplanétaires et surtout interstellaires. Les Vinéens ont ainsi dû mettre une partie de leur population en « léthargie magnétique » pendant plusieurs millions d'années à bord de vaisseaux fuyant leur planète menacée de destruction par le rapprochement cataclysmique des deux étoiles formant un système binaire autour duquel elle gravitait.

Comme à son habitude, Roger Leloup a donné des bases scientifiques assez sérieuses à ses BD. Ainsi, on a désormais la confirmation que des exoplanètes habitables ont plus de chance de se trouver autour d'une étoile double, ce dont on pouvait se douter il y a des décennies. L'idée de placer en biostase un organisme à l'aide de champs magnétiques est aussi crédible du point de vue scientifique. Le physicien allemand Emil Warburg, en effet, a découvert en 1881 un effet magnétocalorique dans le fer. Il consiste en un changement de température que l'on peut aussi induire dans d'autres matériaux métalliques et dans certaines céramiques. Il permet en particulier d'atteindre des basses températures, ce qui autorise la réfrigération magnétique comme l'ont constaté pour la première fois le physicien français P. Weiss et le physicien suisse A. Piccard en 1917.

Une présentation de ce qui sera peut-être le réfrigérateur du futur, une machine basée sur un effet magnétocalorique à température ambiante. © FutureMag - Arte, YouTube

Effet magnétocalorique et désaimantation adiabatique

Le principe fondamental derrière un réfrigérateur magnétique a ensuite été suggéré par P. Debye en 1926 et mis en pratique dès 1933. La réfrigération magnétique a été la première méthode permettant de descendre au-dessous de la limite de 0,3 kelvin rencontrée par les précédents procédés de cryogénie. À des températures aussi basses, l'agitation thermique est très faible et les réactions chimiques si lentes que l'on peut effectivement envisager de conserver sans dégradation des matériaux biologiques pendant une longue durée. Bien que cela reste de la science-fiction, on pourrait donc imaginer un jour qu'un champ magnétique puisse refroidir et ramener à température ambiante un être vivant si rapidement que la mise en biostase pendant des millénaires voire des millions d'années devienne une réalité, ce qui ouvrirait la porte à la colonisation de la Voie lactée, malgré les limites de la propulsion interstellaire.

Réfrigération par désaimantation magnétique adiabatique. Un matériau paramagnétique est plongé dans un champ magnétique (H), ce oriente les moments magnétiques des atomes parallèlement à ce champ. Le matériau chauffe mais revient ensuite à sa température initiale T dans le champ resté d'intensité constante. Après diminution lente de l'intensité du champ, les moments magnétiques s'orientent à nouveau de façon désordonnée. Cette réorganisation s'opère en prenant de la chaleur aux dépens des autres mouvements des atomes du matériau, par exemple sous forme de vibrations d'un réseau cristallin. La température peut ainsi être descendue à seulement quelques millièmes de kelvin avec les moments magnétiques des atomes et de l'ordre du millionième de kelvin avec les moments magnétiques des noyaux. © Nature

On en est pas encore là. Une chose est sûre cependant : l'effet magnétocalorique permet d'envisager des réfrigérateurs domestiques moins gourmands en énergie et n'utilisant pas de fluides frigorigènes problématiques du point de vue environnemental. C'est une des raisons pour lesquelles des laboratoires sont à la recherche de composés capables de manifester l'effet magnétocalorique le plus important possible et surtout à température ambiante. Des physiciens de l'université de Sherbrooke au Canada et de l'Académie des sciences bulgare viennent de décrire une découverte intéressante dans un article de la revue Applied Physics Letters.

Un cristal magnétiquement anisotrope

Un effet magnétocalorique rotationnel de grande amplitude a ainsi été découvert dans des cristaux contenant une autre terre rare que le gadolinium, ordinairement associé aux matériaux manifestant un bon effet magnétocalorique. De formule HoMn2O5, le composé à base de manganèse découvert par les chercheurs contient donc de l'holmium (Ho). Ce matériau est intéressant à la fois pour sa résistance à la corrosion et pour ses propriétés isolantes, ce qui empêche les pertes d'énergie à partir de courants de Foucault induits par la variation du champ magnétique appliqué.

La découverte s'est faite par sérendipité. Les chercheurs étudiaient un effet magnétocalorique standard que l'on pouvait obtenir vers 10 kelvins quand ils ont eu l'idée de faire tourner l'échantillon de 90 °C en maintenant un champ magnétique constant. La brusque baisse de température a été interprétée comme une manifestation d'un effet anisotrope du champ magnétique sur le matériau. Le phénomène est donc relié à la symétrie du réseau cristallin. On peut donc imaginer une nouvelle façon de refroidir d'autres matériaux de la même façon en les faisant tourner plusieurs fois dans un champ magnétique. L'idéal pour des applications dans la vie courante serait de disposer de cristaux magnétiques anisotropes similaires qui manifesteraient un effet magnétocalorique rotationnel important à température ambiante.

En attendant, cette nouvelle technique pourrait au moins être utilisée pour liquéfier de l'hydrogène ou de l'hélium en contact avec un composé magnétiquement refroidi à très basse température.

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