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 !

TPE sur le thème de la Foudre

Thématique : Environnement et progrès

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.