cryologie (suite)

Liquéfaction de l’hélium

Encore actuellement du domaine du laboratoire, le liquéfacteur d’hélium peut atteindre un débit de plusieurs dizaines de litres de liquide par heure. Il utilise la détente avec travail extérieur sur des turbines tournant à très grande vitesse (300 000 tr/mn).

Applications de la cryologie

On utilise comme source de froid des fluides cryogènes qui sont des gaz liquéfiés : le plus couramment employé est l’azote liquide (77 K) ; pour des températures plus basses, on fait appel à l’hydrogène (20 K) ou au néon (27 K), d’emploi plus sûr, et, pour des températures encore plus basses, à l’hélium (4 K). Le plus souvent, les liquides cryogènes sont préparés en usine et apportés sur les lieux d’utilisation ; dans certains cas, la liquéfaction est faite sur place.

• Congélation de produits alimentaires et transport de denrées périssables. Congélateurs et véhicules sont refroidis par évaporation d’azote liquide.

• Biologie, médecine, chirurgie. On conserve par l’azote liquide du sperme de taureau pour l’insémination artificielle, des globules rouges, du sang complet, des tissus pour les greffes. On utilise des cryosondes en neurochirurgie (épilepsie, maladie de Parkinson), en ophtalmologie (enlèvement du cristallin), pour la destruction de tissus (tumeurs, polypes).

• Métallurgie et mécanique. On augmente la stabilité et la résistance d’aciers spéciaux par traitement à des températures de 77 à 65 K. L’azote liquide permet d’effectuer des emmanchements par contraction.

• Cryopompage. On crée le vide dans une enceinte en condensant les gaz qu’elle contient ; le vide obtenu dépend de la température et de la nature des gaz : à 4 K, la pression de l’hydrogène est de l’ordre de 10^–6 torr ; en abaissant à 3 K, on atteint 10^–10 torr. Ces vides très poussés sont surtout utiles en recherche spatiale et pour la physique des plasmas.

• Chambres de simulation spatiale. L’essai des fusées, des satellites ou de leurs composants exige de reproduire aussi fidèlement que possible les ambiances rencontrées au cours du vol (pressions pouvant s’abaisser à 10^–14 ou 10^–16 torr et température de l’ordre de 3,5 K). On se contente en général de refroidir par l’azote liquide à 77 K. La pression est le plus souvent abaissée à 10^–6 torr.

• Chambres à bulles. Pour l’étude du trajet des particules, elles donnent des résultats très supérieurs à ceux des chambres à brouillard ; elles sont le plus souvent à hydrogène liquide (la chambre Mirabelle de Serpoukhov en contient 6 000 litres), plus rarement à hélium liquide.

• Cryo-électrotechnique et cryo-électronique. Les possibilités d’emploi des cryotempératures en électrotechnique et en électronique sont largement diversifiées, car elles s’appuient sur des phénomènes physiques eux-mêmes divers.
1^o La résistivité électrique des métaux diminue quand la température s’abaisse : pour de l’aluminium très pur, elle est à 20 K, environ 1/600 de ce qu’elle est à température ordinaire.
2^o Certains métaux et alliages (notamment à base de niobium) offrent la particularité d’avoir une résistivité électrique nulle au voisinage du zéro absolu : c’est la supraconduction, découverte en 1911.
3^o Les très basses températures réduisent le bruit dû à l’agitation thermique.
4^o Ces mêmes très basses températures permettent de démasquer des phénomènes cachés à la température ordinaire.

Ces propriétés sont déjà appliquées pratiquement dans les cryobobines et les cryo-aimants supraconducteurs, les cryotrons, les masers, etc. On envisage le transport d’énergie électrique par cryocâbles.

• Industrie chimique. La chimie du fluor, par exemple, fait appel à la cryologie. Le broyage de certaines matières plastiques s’effectue à la température de l’azote liquide.

• Gaz naturels liquéfiés (GNL). Le gaz naturel (méthane) représentait 4 p. 100 de l’énergie consommée mondialement en 1930 et 20 p. 100 en 1970. Lorsque le gisement est assez proche du lieu d’utilisation, le transport s’effectue par tuyauterie. Pour le transport à grande distance et pour le stockage, le passage à l’état liquide est tout indiqué. Le premier développement à grande échelle a été représenté par la livraison de gaz saharien à la France et à la Grande-Bretagne (1964). La liquéfaction du méthane se fait à l’usine portuaire d’Arzew (30 millions de fg/h) et le transport, vers Le Havre et l’Angleterre, par navires contenant 25 000 m³ de méthane liquide. Les autres « chaînes » de gaz naturel liquéfié en service ou en construction desservent ou desserviront la France, l’Italie, l’Espagne, le Japon et les États-Unis. Une trentaine de navires méthaniers sont en service, les plus grands atteignant 125 000 m³.

Rarement utilisé pour alimenter en permanence un réseau de « gaz de ville », le gaz naturel liquéfié est le plus souvent employé en période de pointe, ce que permet le stockage relativement peu volumineux à l’état liquide : la réduction de volume est de 630 fois par rapport à l’état gazeux à la pression atmosphérique. Ce peut être un carburant intéressant pour les camions et pour les automobiles (taxis par exemple) dans les villes, car il ne laisse pas de résidus toxiques comme l’essence ou le gas-oil. Employé dans les moteurs d’avion ou d’hélicoptère, il permet des rendements très élevés. On peut aussi l’utiliser en chimie, notamment en pétrochimie, en profitant en même temps du froid produit par sa vaporisation.

R. T.

➙ Congélation et surgélation / Frigorifique (machine) / Froid / Réfrigération.

 E. Gomonet, les Très Basses Températures (Baillière, 1952). / R. R. Conte, Éléments de cryogénie (Masson, 1970).