La révolution des photons !

Publié par Audrey Lavau-Girard, le 13 février 2023   620

L’été 2022 fut marqué par des phénomènes météorologiques extrêmes, qu’en est-il du réchauffement climatique ? Quelles sont les preuves du changement climatique actuel et les différents scénarios des climats futurs projetés par le GIEC. Quelle est cette nouvelle génération de dispositifs solaires, fondés sur des innovations en rupture avec les technologies actuelles. Une solution pour lutter contre le réchauffement climatique ?

Pour répondre à ces questions, l'Institut municipal d'Angers et Terre des Sciences accueillaient, il y a quelques jours, Mihaela Girtan [enseignante-chercheuse au laboratoire LPHIA, Université d'Angers], et Lionel Salvayre [Référent Territorial Pays de la Loire Direction Interrégionale Ouest à Météo France], dans le cadre du projet sur les Transitions écologiques et sociales, un projet conduit en partenariat avec Angers Loire Métropole et la Maison de l'environnement.

Pour Échosciences, nos deux intervenants reviennent ici sur quelques points essentiels de leur sujet. Pour (re)voir la conférence et assister aux échanges avec le public, rendez-vous sous l'interview !

1/ Lionel Salvayre, pourriez-vous nous éclairer sur ce qu’est un bilan radiatif de la Terre ?

Un bilan radiatif est le bilan des différents échanges de chaleur entre les différentes composantes du système couplé Terre/atmosphère. La source de chaleur principale est le soleil, envoyant 341 Watt/m² au sommet de l’atmosphère. Cette chaleur est réfléchie par :

1- le sommet de l’atmosphère,

2- les nuages, aérosols et atmosphère

3- la surface de la terre.

Dans ce bilan, on tient compte aussi de l’émission Infrarouge par :

1- la Terre

2- l’atmosphère.

On inclut aussi les flux d’évaporation de la Terre (chaleur latente et sensible).

Ce bilan radiatif est à l’heure actuelle en déséquilibre positif. Et cette valeur représente le forçage climatique global. Celui-ci mesure l’impact de certains facteurs affectant le climat sur l’équilibre énergétique du système couplé Terre/atmosphère. Le terme « radiatif » est utilisé du fait que ces facteurs modifient l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions de rayonnements infrarouges sortant de l’atmosphère.

Les chiffres accolés aux différents scénarios du GIEC correspondent à la valeur des forçages radiatifs, RCP 2,6 (Representative Concentration Pathways) traduit un bilan au sommet de l’atmosphère égal à 2,6 W/m² et RCP 8,5 un bilan de 8,5 W/m².

2/ Comment les scénarios climatiques prennent-ils en compte les options économiques de notre société ?

Les scénarios SSP (Shared Socio-economic Pathways, en français : Trajectoires communes d’évolution socio-économique) du GIEC sont élaborés pour compléter les RCP par divers enjeux socio-économiques en matière d’adaptation et d’atténuation. Les SSP décrivent différentes évolutions futures du développement socio-économique en l’absence d’interventions découlant de politiques climatiques et comprennent au total cinq descriptifs centrés sur le développement durable (SSP1), les rivalités régionales (SSP3), les inégalités (SSP4), le développement fondé sur les énergies fossiles (SSP5) et un développement intermédiaire (SSP2). L’association des scénarios socio-économiques fondés sur les SSP et des projections climatiques fondées sur les RCP permet d’établir un cadre pour l’analyse intégrée des impacts et des politiques climatiques.

3/ Mihaela Girtan, qu’est-ce-que des circuits photoniques ? Qu'apportent-ils de plus que les circuits électroniques ?

La photonique est un domaine de recherche apparu dans les années 1980, suite à la nécessité de définir le cadre d’une nouvelle branche de la physique, un peu différente de l’optique classique et dont le but était d'utiliser la lumière pour réaliser des fonctions qui incombaient habituellement dans le domaine de l'électronique, comme les télécommunications, le traitement de l'information, la modulation etc. Les circuits photoniques peuvent être donc vus comme des circuits qui utilisent les photons à la place des électrons pour transporter et traiter l’information. Le remplacement des électrons par des photons dans le transport de l’information a conduit à l’augmentation considérable de la quantité de l’information transportée par seconde, donc au nombre de bits/s, et on peut donc comprendre pourquoi les anciens câbles de téléphone, (câbles électriques métalliques) sont maintenant remplacées par des câbles optiques (les fibres optiques - « la fibre » en langage courant).

(source : CEA-leti, Centre de recherche et technologie spécialisé dans les micro et nanotechnologies (Grenoble), Centre de recherche et technologie spécialisé dans les micro et nanotechnologies (Grenoble))

4/ Le silicium est peu à peu remplacé par le nitrure de silicium. En quoi les propriétés de ce dernier sont-elles plus intéressantes ?

Afin de faire converger les deux technologies (l’électronique et la photonique) sur un même circuit, le choix d'un même matériau semblait assez évident. Ainsi, le silicium, matériau de référence en électronique, est devenu en quelques années, le matériau de base pour «l'optique sur puce». Analogue aux circuits intégrés électroniques, la «photonique silicium» fait référence à un domaine scientifique concernant les circuits photoniques intégrés sur silicium. Cependant pour réaliser une communication photonique ou plasmonique complète sur une puce, il est nécessaire de développer :

1) des sources de nano-lumière (nanolasers)

2) des guides d'ondes optiques ou plasmoniques

3) des modulateurs optiques ou plasmoniques pour coder l'information

4) des transistors optiques ou plasmoniques

5) des détecteurs de lumière pour transcrire les informations.

D’autre part, les comportements et les phénomènes de transport des électrons et des photons ne sont pas tout à fait identiques et le développement de la photonique aujourd’hui se confronte aux même problématiques liées à la physique des matériaux et des nanotechnologies, qu’a connu l’électronique par le passé. Afin de surmonter de nombreuses limites (atténuation, ou déformation des signaux, fréquence, température etc.) d’autres matériaux semi-conducteurs tels que le nitrure de silicium, ou autres, commencent à être testés et étudiés pour réaliser ces mêmes fonctions.

5/ Le marché mondial des circuits photoniques est-il concurrentiel ? Quels sont les acteurs majeurs ?

La logique de développement des circuits photonique intégrés est justement l’étape suivante de la miniaturisation des dispositifs, non pas en réduisant la taille de ceux-ci mais en réduisant celle des particules qui traversent les dispositifs. Les acteurs majeurs sur le marché ce sont les même que ceux qui, sur la base de développement des nanotechnologie et des couches minces, ont permis la réalisation des dispositifs électroniques actuels. Ainsi parmi les acteurs du marché mondial s’intéressant au développement des dispositifs photoniques, il n’est pas étonnant de retrouver Intel, IBM, NeoPhotonics, Broadcom, Luxtera, II-VI Incorporated, Infinera Corporation, Lumentum, Huawei, Alcatel–Lucent, etc.

Credits :

- Interview Echosciences, réalisation et montage vidéo de la conférence réalisés par : Audrey Lavau-Girard, programmatrice - événementiel - Terre des Sciences.

- Intervenant.e.s :

Mihaela Girtan : Enseignante-chercheure, Laboratoire LPHIA, Université d'Angers

Lionel Salvayre :  Référent Territorial Pays de la Loire Direction Interrégionale Ouest à Météo France.

- (Re)voir la conférence et assister aux échanges finaux avec le public :

https://youtu.be/GkVSNEw9RU0

Conférence-échanges : réchauffement climatique et révolution des photons !