Bien qu’il serait
intéressant de récupérer la foudre étant donné que c’est un phénomène d’une
intensité très importante, il nous est à la fois très difficile de récupérer
son énergie et de la stocker mais il serait également peu rentable de
l'utiliser.
De plus, la population est sûrement
prête à utiliser ce type d'énergie, mais sans doute beaucoup plus réticente à
ce qu’un champ de paratonnerres voie le jour juste à côté de chez elle. En
outre ne pouvant pas aujourd’hui prédire où tombera la foudre il nous est
impossible de ne vivre qu’avec son énergie.
Cependant la France
est l'un des premiers pays dans la recherche sur les phénomènes liés à la
foudre, et aussi la première en simulation d'éclairs en laboratoire, ce qui est
encourageant. Donc on peut encore espérer utiliser la foudre comme source
d'énergie. D’autant plus qu’elle serait une énergie renouvelable, contrairement
au pétrole qui lui aura disparu avant les orages.
Même si ce projet
nous semble très difficile à réaliser avec les problèmes techniques et
scientifiques, on peut tout de même penser qu’un jour il sera possible
d’utiliser la foudre en tant qu’énergie compte tenu des progrès technologiques
dans ce domaine.
N’avait-on pas dit
que l’Homme ne marcherait jamais sur la Lune ?
Si on arrivait un
jour à « dompter » la foudre, il ne faudrait pas oublier les
conséquences de celle-ci sur l’Homme.
En effet la foudre
est dangereuse pour lui. 25 à 50 personnes et 20 000 animaux sont tués chaque
année en France.
De plus 10% des incendies sont dus à la foudre et 250
clochers sont détruits tous les ans.Sans compter les outils électriques, électroniques et téléphoniques qui
sont détruits ; un éclair qui touche une ligne de tension en tombant sur
une maison peut griller l’ensemble des appareils électriques.
L’onde de choc
provoquée par un impact peut même catapulter des personnes en l’air sur
plusieurs mètres.
Il serait donc
encore plus dangereux de vouloir créer des éclairs en plus et, en outre, de
vouloir les diriger vers les foyers.
Pour ce qui est de
l’environnement : capter suffisamment d’énergie fournie par les orages
engendrerait la détérioration du paysage par les nombreux paratonnerres (2
milliards) et autres panneaux photovoltaïques.
Il ne faut pas
oublier non plus les incendies de forêts générés par la foudre. Cette dernière
est responsable de plus de 20% des feux de forêts au Canada.
Cependant l’énergie
produite par la foudre reste une énergie naturelle et est donc moins polluante
que d’autres énergies comme le pétrole.
En admettant que
l’on réussisse à attirer la foudre il se pose maintenant la question du
stockage.
- Cependant on ne
peut pas mettre la foudre « en bouteille » à cause de la résistance
des matériaux utilisés qui dissipent l’énergie en chaleur. C’est
l’ « effet joule ».
On pourrait alors
utiliser un supra conducteur. C’est un objet qui, dans certaines conditions,
notamment le froid, a une résistance nulle ou quasi nulle.
On ferait tourner en boucle le courant dans des bobines
supra conductrices mais le problème c’est qu’il se formerait un champ magnétique
dû aux frottements des bobines.
Il faudrait également qu’il fasse froid (condition pour la
supraconductivité). Pour cela, il faudrait en produire, ce qui ne serait pas
très rentable ni très écologique.
Il faudrait alors
créer un supra conducteur à température ambiante et qui supporterait des
courants électriques importants sans perdre sa supra conductivité.
- Sachant que les
matériaux utilisés dissipent l’énergie en chaleur, on pourrait récupérer cette
énergie thermique pour l’avoir sous forme d’énergie mécanique ou
électrique.
En fait pour cela
il existe la machine à vapeur de James Watt.
Une chaudière fournit de la vapeur d’eau. Puis l'énergie thermique que possède la
vapeur d’eau est convertie en énergie mécanique grâce à l’énergie cinétique.
Cependant c’est un système plutôt archaïque.
En dehors de la machine à vapeur, il n’y a eu aucun résultat
intéressant jusqu’à ce jour.
La machine à vapeur de James Watt
- On pourrait par
contre utiliser la chaleur produite par la foudre : pour se chauffer (par
exemple). Comme les centrales thermiques en Islande qui récupèrent l'énergie du
magma du sous-sol. Des forages jusqu’à 2000 mètres de
profondeur sont effectués dans différentes zones pour capter la vapeur et l'eau
chaude.
On pourrait aussi
chauffer l’eau d’un lac en dirigeant la foudre sur celui-ci (si on y arrive un
jour), sachant que la foudre peut chauffer l’air jusqu’à 30 000°C (soit
environ 5 fois la température à la surface du Soleil). Le problème est que
l’eau pourrait s’évaporer, et que cela pourrait refroidir très vite.
De plus on se pose
toujours la même question : comment récupérer cette énergie thermique pour
l’avoir sous forme d’énergie mécanique ou électrique ?
- Une autre idée : récupérer
l’énergie de la lumière générée par l’éclair.
On utiliserait des
panneaux photovoltaïques. Pour qu’ils soient efficaces il faudrait les placer à
moins de 100m de l’endroit présumé de la chute de la foudre. Mais on ne sait
pas ou peu à l’avance où la foudre tombera.
De plus les surtensions causées risquent d’endommager les
panneaux.
On pourrait par
contre se servir des panneaux pour capter l’énergie lumineuse de la foudre en
boule, pour régler le problème des surtensions. Le problème étant que celle-ci
est encore plus imprévisible que la foudre elle-même. Pour être sûr de capter
son énergie il faudrait installer des panneaux photovoltaïques à tous les
endroits où la foudre en boule est susceptible d’être rencontrée ; cela
incluant chaque maison, les zones à risques, etc. et donc un coût élevé.
- L’énergie de la
foudre étant très forte pour un intervalle de temps très petit, on pourrait
tenter de diviser cette énergie, - comme un générateur d’électricité dans une
maison divise l’électricité vers les différentes prises - . Cela permettrait
par exemple de stocker cette énergie dans de petites batteries afin de
l’utiliser plus tard ; cela induisant qu’il faut, comme toujours, pouvoir
l’attirer et l’amener dans les batteries.
Pour tenter de
diviser l’électricité produite, on pourrait faire passer le courant dans des
câbles jusqu’à une centrale électrique.
Mais, encore une fois, subsiste le problème des surtensions.
Pour récupérer
l’énergie de la foudre et l’utiliser, il serait intéressant de savoir quelles
sont les régions et les périodes où les orages sont les plus fréquents.
La carte ci-dessous indique le nombre d’heures d’orage en
juin 2007 pour la France. La carte suivante l’indique pour décembre 2007.
Si on compare les
deux cartes, on voit qu’il y a plus d’heures d’orages en été qu’en hiver. Cela
est dû à la chaleur qui fait bouger les masses d’air, induisant une
augmentation des orages en été (voir I).
Selon l’endroit où l’on se trouve, les risques de foudroiement sont plus
ou moins importants. A l’échelle mondiale, plus on s’éloigne de l’équateur,
plus la fréquence des orages diminue, jusqu’à devenir nulle au niveau des
pôles. De même, la force moyenne des orages diminue au fur et à mesure qu’on
s’éloigne de l’équateur. Cela est dû à la chaleur et à l’humidité.
Pour
attirer la foudre, il y a plusieurs idées :
Le paratonnerre :
Le paratonnerre a été inventé en 1752 par
Benjamin Franklin. Il était conçu à l'origine afin d'« écouler à la
terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la
foudre de tomber ». La structure d'un paratonnerre est composée d'une
tige métallique, pointue, de 5 à 10 mètres et placée en hauteur, connectée à la
terre ou à un bassin d’eau par un ou plusieurs éléments métalliques appelés
conducteurs de descente capables de conduire l’électricité.
La tige crée un
champ électrique autour de la pointe. Et si l'éclair passe à proximité de cette
pointe, il y finira sa course.
Un paratonnerre
n’attire pas la foudre mais il augmente les probabilités que la foudre lui
tombe dessus et non pas à côté : il a pour but d'éviter les incendies et
les dégradations des bâtiments.
On suppose que
l'énergie de la foudre soit captée par des paratonnerres du type Franklin. Une
tige de 10 mètres de haut capte la foudre dans un rayon environ égal à sa hauteur, soit une aire
de l'ordre de 300 m2.
Pour couvrir la France (à peu près 675 000 km²), il faudrait donc
installer environ 2 milliards de tiges. Cela n’est pas très esthétique !
De plus les habitants ne seraient sûrement pas rassurés de posséder un
paratonnerre juste à côté de chez eux, cela risquant d’endommager leur matériel
électroménager.
En outre, chaque tige
pèse environ 45 kg. Il faudrait alors investir une masse de cuivre de 90 milliards de kg. A
environ 3,50 € le kg, cela représente un coût d’environ 300 milliards d’euros.
A cela s’ajoute le prix de l’installation et de l’entretien !
Mais à long terme
avoir deux ou trois paratonnerres dans son jardin réduirait la facture
d’électricité …
Paratonnerre avec mise à terre et à eau
Le « Téramobile » :
Dans les années 70 a émergé l’idée d’utiliser
un laser afin d’ioniser l’air et de canaliser l’énergie vers un point précis,
pour protéger les habitations. Depuis les expériences dans le domaine n’ont pas
cessé de s’améliorer.
L’an dernier une
équipe de chercheurs franco-allemande a mis au point un laser très puissant, le
téramobile. Ce laser en 100 femto secondes (10-13 s) produit environ
5 téraWatts (5 x 1012 W). Pendant un orage, ce laser va ioniser
l’air sur plus de 100
mètres (plus qu’un paratonnerre) et, à partir de ce
« canal conducteur » formé, des minis-décharges se créent, appelées
décharges couronnes.
Cette découverte est
importante car dès lors on est capable de créer une décharge et de prédire où
celle-ci arrive. En revanche pour l’instant ces décharges sont très faibles.
Pour générer un
éclair il faudrait alors allonger la durée d’ionisation qui est, actuellement,
de 1 µs. On peut voir qu’on utilise un laser très puissant pour des résultats
minimes. Il faudrait imaginer un laser encore plus puissant (et encore plus
gros) pour obtenir des résultats intéressants.
Pour cette année,
les chercheurs veulent mettre au point un laser dix fois plus puissant.
Par contre pour tester cet appareil en laboratoire il faut
manier deux technologies de pointe : générer de très hautes tensions
électriques, de l’ordre du méga volt, et combiner le tout avec un laser très
puissant. L’autre problème qui se pose c’est que pour l’instant, la plupart des
expériences ont été réalisées en espace clos. Arrivé sur le terrain il faudra
faire face au vent, à la pluie et à toutes les autres épreuves naturelles.
Il faut faire tout
d’abord la différence entre puissance et énergie.
La puissance s’exprime en Watts (W), et l’énergie en Joules
(J).
L’énergie est en fait la puissance avec une notion de temps
en plus.
1W = 1 J/s. Pour prendre un exemple une ampoule de 100Watt
consomme 100 Joules par seconde.
Un éclair est très
puissant dans un intervalle de temps très court. Donc plus l’intervalle de
temps est long, plus la puissance de l’éclair sera faible.
L'énergie moyenne
d'un éclair est de 500 mégajoules ( MJ). Un éclair dure en moyenne 25ms. Donc,
la puissance moyenne d'un éclair est de 500 MJ/25 ms. Soit 20 giga watts. Si on
pouvait stocker l’énergie de la foudre celle-ci, en un seul éclair, pourrait faire fonctionner environ 20 millions de
grille-pains.
Le nombre d'éclairs pendant un orage peut
varier entre 10 et plusieurs millions. En partant d'une moyenne de 100 éclairs
durant l’orage, alors son énergie avoisinerait environ 50 giga joules (GJ).
La
densité d’un coup de foudre étant d'environ 1 à 3 par km² et par an, la
superficie de la France avoisinant les 550 000 km², il y a environ un
million d'éclairs qui frappent le sol en France chaque année (d'après
Météo France). L'énergie reçue au sol avoisine donc les 500 terra joules.
La puissance moyenne de cette énergie sur 1 an (365 jours) est de 16 mégawatts,
ce qui permettrait de fournir environ 5 000 foyers en énergie.
La
puissance moyenne fournie par d'autres sources d'énergies en 1 an sont les
suivantes:
- Une centrale nucléaire
produit environ 5000 MW.
- Une centrale
thermique produit de 100 à 700 MW.
- Une centrale
hydraulique produit jusqu'à 500 MW.
- Une centrale éolienne
produit en moyenne 7 MW.
L'énergie que pourrait fournir la
foudre est donc très inférieure à celle fournie par une centrale nucléaire.
Cependant elle est supérieure à celle fournie par une centrale d'éoliennes
mais, par une seule centrale. Mais contrairement à l'énergie nucléaire, celle
provenant de la foudre pourrait
constituer une source d'énergie non polluante.
De plus, une production basée sur la récupération des
éclairs a l'avantage de capter de l'électricité, et non pas de produire
celle-ci à partir d'une réaction chimique ou atomique, et ne produit donc
pas de déchets. Il n'y a donc aucun besoin de recyclage ou de traitement, ce
qui joue en faveur de ce type d'énergie sur le plan écologique.
En 1752, le physicien Benjamin Franklin a eu l’idée de lancer un
cerf-volant dans un nuage prometteur d’orage.
Benjamin Franklin avait attaché une clé au cordon de chanvre qui
retenait le cerf-volant : de nombreuses étincelles se produisirent, prouvant
alors la nature électrique de la foudre.
Formation d’un nuage orageux :
En général pour
qu’un nuage se forme il faut que de l’air chaud et humide s’élève. Mais quand
ce courant ascendant s’intensifie et qu’il fait trop froid pour que la vapeur
d’eau se condense on assiste alors à la formation d’un nuage orageux : le
cumulonimbus. Les violents courants d’airs ascendants provoquent des chocs
entre les molécules d’eau à l’intérieur du cumulonimbus. Les particules les
plus lourdes, les grêlons, se frottent aux particules plus petites et plus
légères. Ces petits cristaux de glace
s’élèvent jusqu’à la stratosphère puis s’écoulent sur le côté pour donner la
forme caractéristique d’enclume aux nuages orageux.
Ces frottements
entraînent une séparation des charges. Le cumulonimbus est chargé négativement
en bas et positivement en haut. Lorsque la répartition des charges devient trop
importante la foudre se crée.
Un premier canal de
charges négatives descend du nuage vers le sol. Sa trajectoire est aléatoire.
On l’appelle précurseur ou traceur descendant.
Lorsqu’il arrive à une distance proche du sol, il attire
plusieurs traceurs ascendants qui partent d’objets pointus et élevés comme les
paratonnerres, les immeubles ou les arbres (grâce à l’ « effet de
pointe »). Quand les deux traceurs entrent en contact, ils établissent un
pont conducteur entre le nuage et le sol laissant passer un intense courant
électrique. C’est à ce moment que l’on voit un éclair dans le ciel.
Il y a différents types d’éclairs :
- L'intra-nuageux :
Il s’agit d’une décharge électrique se produisant à l’intérieur du nuage. Ces
éclairs représentent 70% des décharges électriques lors d’un orage.
- L'éclair en
nappe : c‘est une succession de décharges intra-nuageuses au sommet du
cumulonimbus.
- L'inter-nuageux :
c’est une décharge électrique entre deux nuages.
- L’éclair
sol-nuage: C’est une décharge électrique entre le sol et le nuage. Il représente
seulement 15% de l'activité orageuse.
Toutes nos recherches portent sur ce type d’éclair-là.
Nous tenons à préciser que l’éclair est ce que l’on voit de
la foudre et que le tonnerre est ce que l’on entend de la foudre.
La foudre en
boule :
Pour expliquer ce
phénomène on ne peut se baser que sur des témoignages plus ou moins douteux, et
dont certains se contredisent car c’est un phénomène plutôt rare et surprenant.
C’est pour cela que les scientifiques ont mis deux hypothèses
différentes :
- Première
hypothèse : La foudre en frappant le sol va diffuser des particules
(silicium, oxygène et carbone) qui vont s’ioniser négativement et former une
chaîne. Cette chaîne va se recroqueviller et former une boule, qui après
s’oxydera dans l’air.
- Deuxième
hypothèse : Cette boule serait constituée de plasmas. (Un plasma est un
corps possédant des particules chargées). La chaleur d’un gaz ordinaire expulse
des électrons et des atomes, formant cette boule de plasma. Cette dernière est
parcourue par des lignes de courant fermées sur elles-mêmes. Cela est possible
pour de fortes températures (environ 3000 degrés). Puis la boule dissiperait
son énergie sous forme thermique et lumineuse.
Les deux théories
sont d’accord sur le fait que la boule de foudre dure aussi longtemps qu’il y a
un rayonnement électromagnétique (produit par la foudre).
Note pour l'album photo : nous avons préféré
prendre des extraits de bandes dessinées pour les images de foudre en boule,
car les photos sont rares et celle que
nous avons trouvée a
l’air d’être grandement retouchée !
Matières : Physique, mathématiques et Science de la vie et de la Terre
Vingt millions d’orages éclatent chaque année sur Terre. La foudre en frappant le sol cause de nombreux dégâts tout en restant inutile pour l’Homme ; au lieu d’essayer seulement de s’en protéger celui-ci pourrait plutôt en tirer profit.
Peut-on donc utiliser la foudre en tant qu’énergie ?
La majorité des gens pense cela impossible, mais quelques rares scientifiques pensent le contraire.
Pour tenter de comprendre ces divergences d’opinion nous allons d’abord étudier le phénomène qu’est la foudre, les intérêts de l’utiliser en tant qu’énergie, rechercher comment l’attirer là où on le veut et l’utiliser ensuite. Nous verrons enfin les conséquences que cela pourrait avoir sur l’Homme et l’environnement.