La minuscule sphère de diamant qui pourrait débloquer une énergie propre

À 1h03 du matin le lundi 5 décembre, des scientifiques du National Ignition Facility en Californie ont pointé leur laser à 192 faisceaux sur un cylindre contenant une minuscule capsule de carburant en diamant.

Cette puissante rafale de lumière laser a créé des températures et des pressions immenses et a déclenché une réaction de fusion - la réaction qui alimente le soleil.

Le National Ignition Facility (NIF), qui fait partie du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avait déjà réalisé de telles expériences, mais cette fois, l'énergie dégagée par la réaction était supérieure à la puissance laser utilisée pour la déclencher.

Les scientifiques tentent depuis des décennies d'atteindre ce seuil et l'espoir est, un jour, de construire des centrales électriques qui utilisent une réaction de fusion pour générer une électricité abondante et sans carbone.

C'est encore loin. En attendant, il reste encore beaucoup à faire pour développer la technologie.

L'un des composants clés du NIF est une capsule de diamant synthétique de la taille d'un grain de poivre, qui contient le carburant. Les propriétés de cette capsule sphérique sont cruciales pour créer une expérience de fusion réussie.

La sphère doit être parfaitement lisse et exempte de contaminants - toute anomalie pourrait ruiner la réaction.

Ces sphères conçues avec précision ne sont cependant pas fabriquées en Californie. Ils sont le résultat d'années de travail de Diamond Materials, une entreprise basée à Fribourg, en Allemagne.

"Les exigences vis-à-vis des capsules [sphériques] sont très élevées", déclare Christoph Wild qui, aux côtés d'Eckhard Wörner, est directeur général de Diamond Materials.

"Nous collaborons étroitement avec Lawrence Livermore et essayons de minimiser les défauts tels que les impuretés, les cavités ou les murs inégaux."

L'équipe de 25 personnes de Diamond Materials fabrique du diamant synthétique par un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur.

Il faut environ deux mois pour créer chaque lot de 20 à 40 capsules, qui sont fabriquées en superposant minutieusement de minuscules cristaux de diamant autour d'un noyau en carbure de silicium et en les polissant à plusieurs reprises.

Au cours du processus de développement, ils ont découvert que même le polissage le plus méticuleux ne suffisait pas car au niveau microscopique, la surface était encore piquée et inégale.

En travaillant avec des équipes de LLNL, ils ont finalement découvert qu'ils pouvaient glacer une capsule polie avec une nouvelle couche de cristaux de diamant pour obtenir la finition miroir dont ils avaient besoin.

Plus de technologie d'entreprise:

Lorsque les capsules de diamant arrivent au LLNL, le noyau de silicium est retiré et un minuscule tube de verre est utilisé pour remplir la sphère creuse de deutérium et de tritium, deux types d'hydrogène lourds, qui alimentent la réaction de fusion.

"Autour de cette pastille de combustible se trouve un cylindre d'or et d'uranium appauvri", explique Mike Farrell, vice-président de la technologie de fusion inertielle chez General Atomics, qui est le plus grand partenaire industriel de LLNL.

La troisième et dernière couche de la capsule est un cylindre en aluminium qui sert à refroidir le contenu de la capsule avant la réaction.

Un autre domaine technologique crucial pour le NIF est l'optique - tout ce qui prend en charge la transmission, la détection ou l'utilisation de la lumière.

Comme le NIF utilise le laser le plus puissant au monde, il utilise une grande partie de cette technologie et les composants optiques sont endommagés à chaque fois que la machine est allumée.

Depuis le début des années 1970, le NIF travaille en étroite collaboration avec des fabricants d'optiques tels que Zygo Corporation et le verrier spécialisé SCHOTT pour affiner et fournir des pièces de rechange, ainsi que des écrans anti-débris et anti-souffle.

Après l'expérience réussie de décembre, le prochain défi pour le NIF et ses partenaires sera d'améliorer encore la technologie afin de reproduire et d'améliorer la réaction.

Mike Farrell espère que ce pas en avant contribuera à favoriser le soutien à d'autres recherches. "L'expérience a changé l'opinion scientifique. L'allumage a toujours été considéré comme presque inaccessible, [ou quelque chose qui ne pourrait arriver que] dans 40 ans. Le résultat de décembre a été révélateur."

De retour à Fribourg, Diamond Materials espère pouvoir investir plus de temps dans la recherche. "Environ 20% de notre équipe est impliquée dans la recherche et nous deux directeurs généraux sommes également physiciens", explique M. Wild.

"La recherche au niveau où nous produisons nécessite beaucoup de ressources et nous ne pouvons pas négliger la production. Nous allons donc probablement continuer à faire grandir l'équipe. Après tout, la recherche d'aujourd'hui mène aux produits de demain."

Des équipes du monde entier se bousculent pour construire une centrale à fusion fonctionnelle - en utilisant toutes sortes d'approches. Mais cela prendra de nombreuses années et des milliards de dollars d'investissement.

Le point de repère de l'année dernière au NIF est susceptible de donner un coup de pouce au secteur, a déclaré M. Farrell: "Le financement gouvernemental et d'entreprise peut être plus facile à obtenir maintenant que l'allumage a été prouvé possible."

Cet investissement sera nécessaire pour surmonter les défis d'ingénierie considérables auxquels est confrontée la construction d'une centrale électrique en état de marche, notamment pour trouver des matériaux capables de supporter la haute énergie émise par le processus de fusion.

Mais M. Farrell s'empresse de souligner à quelle vitesse les progrès peuvent s'accélérer après la percée initiale.

"Une fois que vous avez montré les premiers principes, comme nous venons de le faire, les ingénieurs prennent ensuite les rênes pour déterminer comment le faire de manière reproductible.

"Rappelez-vous, le premier vol des frères Wright a eu lieu en 1903 et le premier vol supersonique a eu lieu dans les années 1950. En 40 ans environ, beaucoup de choses peuvent progresser."