moteur thermique

Un piston dans un cylindre rempli de gaz se déplace généralement lorsque le gaz exerce une pression sur lui. Mais il existe un piston qui se déplace lorsqu'il y a du vide devant lui. Toutes les cinq secondes, il vérifie l'espace contre sa paroi, et si personne ne s'y trouve, il fait un pas vers l'intérieur, comprimant le gaz sans effort mécanique direct.

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

Dans l'aimant d'un IRM, le courant circule dans une boucle supraconductrice fermée — comme l'eau qui tourne en rond dans un seau, lancée une fois pour toutes et qui continue toute seule.

Dans une chambre ultra-froide, deux nuages d'atomes entrent en collision : quelques dizaines d'atomes de césium, qui jouent le rôle de fluide de travail, et des milliers d'atomes de rubidium, qui forment le réservoir de chaleur.

L'eau chaude après une douche, l'air tiède de la ventilation, les parois chaudes d'un moteur : toute cette chaleur en dessous de 100 °C se dissipe généralement sans avoir fait le moindre travail. Désormais, on peut la capter et la transformer en électricité. Au cœur du nouveau dispositif se trouve un fil en alliage nickel-titane.

À l'intérieur de chaque cellule, la logistique bat son plein : de minuscules moteurs protéiques, tels des coursiers, transportent des cargaisons le long d'un réseau de microtubules. L'un des principaux travailleurs est la kinésine, qui avance grâce à l'énergie de l'ATP (la principale monnaie énergétique de la cellule).

En thermodynamique classique, les machines thermiques ressemblent à un virtuose sur scène : plus l'interprétation se rapproche de la perfection (rendement de Carnot), plus le tempo (puissance) ralentit.

Imaginez une machine à vapeur où le piston en acier est remplacé par l'horizon des événements, et le cylindre par l'espace courbe lui-même. Cette métaphore a pris chair mathématique : des physiciens ont pour la première fois construit un ensemble complet de cycles thermiques réversibles avec un trou noir de Schwarzschild enfermé dans une cavité sphérique.

La vieille question du démon de Maxwell — une créature intelligente peut-elle contourner la deuxième loi de la thermodynamique et pomper la chaleur du froid vers le chaud ? — trouve un nouvel écho dans le monde quantique.

Dans l'eau bouillante, on peut voir une ébauche de ce tour de passe-passe quantique : si une partie du liquide se transforme en bulles de vapeur à longue durée de vie, la masse principale se refroidit.

Dans une casserole de soupe, chaque grain est un minuscule aimant qui veut s'orienter à l'opposé de son voisin. Chauffez la soupe, et les petits aimants se mettent à s'agiter, obéissant à la chaleur. Mais comment savoir à quel point ils sont turbulents à chaque température ? Pour un matériau ordinaire, on le calcule sur des ordinateurs puissants en énumérant les possibilités.

Si l'on chauffe un clou dans un feu, il s'allonge — tout le monde le sait. Mais si l'on ne chauffe que la pointe en laissant l'autre extrémité froide, le clou ne se contente pas de s'allonger : il se courbe, car le métal chaud se dilate plus que le métal froid. C'est précisément cette flexion, mais à l'échelle atomique, que des physiciens ont transformée en électricité.

Une machine thermique n'est pas obligée d'être en fer. Dans le monde microscopique, un électron unique peut jouer le rôle de piston, et le processus de mesure lui-même peut servir de carburant. Deux « poches » voisines pour électrons sont reliées par un pont étroit.

La vapeur qui s'élève au-dessus d'un métal chaud est un spectacle familier dans nos cuisines. Mais si l'on prend du rubidium au lieu de l'eau, ce nuage se transforme en batterie. Elle ne fonctionne pas par réactions chimiques, mais par la coordination quantique des atomes.

Une bouilloire refroidit sur la table. La chaleur s'échappe dans l'air, et c'est du gaspillage. Pourtant, on pourrait en tirer un peu d'électricité. Les dispositifs capables de cela s'appellent des générateurs thermomagnétiques. À l'intérieur, pas de pistons ni de turbines, seulement un matériau qui modifie ses propriétés magnétiques lorsqu'il est chauffé ou refroidi.

Un morceau de métal chauffé à une extrémité produit un faible courant électrique : on le sait depuis près de deux cents ans. Mais que se passerait-il si, au lieu d'un simple métal, on prenait un « sandwich » à plusieurs couches : un supraconducteur, un isolant mince et une couche plane d'électrons ?

En général, le courant dans un métal agit comme de l'eau bouillante sur de la glace : il chauffe le matériau et détruit l'ordre magnétique. Mais dans une structure en couches composée de ditellurure de tungstène et du ferromagnétique Fe3GeTe2, le courant se comporte différemment.

Lorsque les serveurs d'un centre de données fonctionnent à pleine puissance, ils chauffent comme un fer à repasser laissé sans surveillance. Cette chaleur part dans le vide, et le refroidissement consomme encore plus d'énergie. Des ingénieurs allemands ont proposé de mettre cette chaleur à profit : qu'elle pousse elle-même le liquide dans de fins tubes, sans aucun moteur ni pompe.

Les systèmes physiques savent calculer. Si l'on construit un paysage de collines et de creux de sorte que le point le plus bas corresponde à la réponse, le système y glissera tout seul, comme une bille. Le problème, c'est qu'au fond, la pente est souvent douce et la bille met du temps à errer avant de se figer. Les auteurs de l'étude proposent de pousser la bille dans la bonne direction avant même le départ.

Prévoir la météo, c'est un peu comme essayer de prédire où roulera une pierre sur une pente en connaissant la forme de chaque bosse et la force du vent. On se trompe au départ, et une semaine plus tard, l'erreur s'est transformée en véritable tempête. Avant, pour des prévisions précises, il fallait d'énormes ordinateurs et des calculs de plusieurs jours.

Une batterie quantique fonctionne comme une éponge qui absorbe la lumière mais ne la restitue que si on la presse. L'inspiration vient des pièges à lumière naturels des bactéries : en capturant les photons solaires, elles transmettent l'énergie presque sans perte, comme l'a prouvé la spectroscopie.

Un moteur thermique ordinaire, c'est comme un moulin entre deux rives, l'une chaude, l'autre froide : plus la dénivellation est grande, plus le courant est fort. Ici, l'écart est minuscule, à peine un ou deux degrés, mais l'eau peut quand même faire tourner la roue. Le secret ?

Une casserole sur une cuisinière reçoit de la chaleur, mais pas de travail : le gaz sous le couvercle se contente de chauffer. Et si la cuisinière n'était pas ordinaire, mais quantique ? Alors la chaleur et le travail peuvent arriver en même temps, comme d'un moteur qui chaufferait en plus.

L'idée de l'expansion de l'univers, proposée par Georges Lemaître, trouve une analogie inattendue. L'espace se comporte comme un piston dans un cylindre : l'énergie noire le pousse, telle la vapeur.

Le paradoxe de Mpemba — l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide — a maintenant une suite quantique. Dans le monde microscopique, une particule poussée plus loin de la ligne d'arrivée y parvient en premier.

Un moteur ordinaire brûle du carburant et perd une énorme quantité d'énergie sous forme de chaleur — c'est ce qu'imposent les lois de la thermodynamique. Un moteur quantique fait autrement : son carburant n'est pas la chaleur, mais un rythme parfait. Cette régularité, les physiciens l'appellent la cohérence quantique.

Dans le monde quantique, les particules peuvent traverser les murs : c'est l'effet tunnel, décrit par le modèle standard.

Les atomes, tels un essaim de lucioles, scintillent à l'unisson. Lorsqu'ils s'illuminent simultanément, la lumière est amplifiée considérablement : cent atomes émettent une lumière dix mille fois plus intense qu'un seul. Des physiciens ont transformé cette prouesse en moteur thermique.

Un orchestre sans chef, où chaque musicien n'entend que l'écho de la salle, peut produire une mélodie puissante. C'est ainsi que fonctionne une batterie quantique : des particules plongées dans un environnement chaud ne dissipent pas la chaleur, mais l'échangent en synchronie. Au lieu du chaos, naît une charge ordonnée.

Les phases topologiques se cachent généralement dans des cryostats. Circuits supraconducteurs, atomes ultra-froids, impulsions laser : tous protègent l'ordre quantique du bruit thermique.

Une machine thermique, c'est comme un voilier : pour avancer, il lui faut une différence. En général, c'est la différence de température entre les réservoirs chaud et froid. Mais que se passe-t-il si le réservoir lui-même se met en mouvement ?

Deux qubits, des bits quantiques, des systèmes à deux niveaux, glissent à travers les bains chaud et froid d'un champ thermique. L'un se déplace à 0,8 fois la vitesse de la lumière. À cet instant, la thermodynamique habituelle se fissure : un qubit en mouvement perçoit la température différemment d'un qubit au repos.