Comment faire progresser la recherche de pointe tout en consommant moins d’énergie ? Les scientifiques du CERN travaillent sur des solutions innovantes, dont la supraconductivité est l’un des ingrédients clés.
Une équipe a récemment testé avec succès une bobine magnétique de démonstration qui permettra de réduire considérablement la consommation d’énergie de certaines expériences. La bobine est constituée de câbles supraconducteurs en diborure de magnésium (MgB2), qui sont utilisés dans la ligne de transfert électrique à haute intensité qui alimentera le LHC à haute luminosité (HL-LHC), successeur du LHC. Elle est montée dans une culasse magnétique en acier à faible teneur en carbone qui maintient et concentre les lignes de champ, dans une configuration dite superferrique.
Cet aimant innovant est destiné à l’expérience SHiP, conçue pour détecter des particules à très faible interaction et dont la mise en service est prévue en 2031. L’un des deux aimants du détecteur doit produire un champ d’environ 0,5 tesla. Le champ est d’intensité modérée mais doit être produit dans un volume gigantesque de 6 mètres de haut et 4 mètres de large et de profondeur. Un électroaimant résistif à conduction normale aurait une puissance électrique de plus d’un mégawatt et, comme il devrait fonctionner en continu, sa consommation électrique serait élevée.
D’où l’idée d’utiliser un supraconducteur qui conduit l’électricité sans résistance et donc sans perte d’énergie par chauffage. C’est le principe des aimants du LHC. Mais ils sont basés sur un alliage de niobium et de titane, ce qui nécessite de les refroidir à une température très basse de -271 °C (2 Kelvin) grâce à de l’hélium suprafluide produit par une installation cryogénique complexe.
Les câbles en diborure de magnésium ont l’avantage d’être supraconducteurs à -253 °C (20 Kelvin). Ils peuvent être refroidis à l’hélium gazeux et nécessitent donc un système cryogénique moins complexe, offrant ainsi une meilleure efficacité thermodynamique. Ils ne pourraient pas être utilisés pour des aimants d’accélérateurs tels que ceux du LHC, qui génèrent des champs d’environ 8 teslas. Ils sont cependant adaptés à un aimant de grande taille avec un champ modéré comme celui de SHiP.
Construite en septembre dernier, la bobine de démonstration d’un mètre de long vient de passer avec succès des tests de fonctionnement au cours desquels elle a été refroidie par de l’hélium gazeux à des températures de 20 à 30 kelvins. Même si de nombreuses étapes restent à franchir avant que l’aimant SHiP soit prêt, ces tests sont prometteurs et ouvrent des perspectives pour cette technologie au CERN comme dans l’industrie.
« Un tel aimant pourrait consommer jusqu’à 100 fois moins d’énergie électrique qu’un aimant superferrique ordinaire », explique Arnaud Devred, qui mène le projet avec une équipe du groupe Aimants du CERN. « À plus long terme, nous pourrions par exemple envisager de rééquiper certains aimants avec des bobines MgB2 afin de réduire leur consommation électrique. Ce projet représente donc une belle vitrine pour les développements technologiques du HL-LHC. »
Les liaisons supraconductrices du HL-LHC suscitent un vif intérêt car elles utilisent des supraconducteurs à haute température, dont l’utilisation à grande échelle permettrait des économies d’énergie importantes dans de nombreux domaines, y compris dans notre vie quotidienne. Grâce à ce développement très innovant, le champ d’application de cette technologie peut être étendu aux électroaimants. L’aimant spectromètre SHiP pourrait être l’une des premières applications.