Article paru en juin 2006cryogénie
Le cryoréfrigérateur autonome, alternative à l'approvisionnement en hélium
Des cryoréfrigérateurs autonomes permettant de s'affranchir de l'approvisionnement en hélium : la perspective se précise avec le développement de modules "plug and play" dotés d'une régulation de température extrêmement précise. Le CEA collabore sur ce sujet avec plusieurs industriels utilisateurs de basses températures (-180°C et moins).
L'hélium, partenaire obligé des applications cryogéniques, impose à ses utilisateurs de lourdes contraintes de réapprovisionnement. Prenons l'exemple des scanners RMN des hôpitaux, avec leurs aimants supraconducteurs refroidis à -269 °C : chaque année, il faut effectuer un plein de 500 à 1000 litres d'hélium liquide à près de 7 euros le litre, et en perdre presque autant par évaporation*. "Refaire ses réserves en hélium est cher et compliqué, explique Jean-Paul Perin, directeur de recherche au service Basses Températures (SBT) du CEA/Grenoble. Et c'est impossible dans des sites dispersés comme les relais de téléphonie mobile, qui n'utilisent pas la cryogénie alors qu'elle leur ferait gagner de la bande passante ou de la puissance d'émission".
Voilà pourquoi le concept de cryoréfrigérateurs "plug and play", sans approvisionnement périodique, fait son chemin dans l'industrie. Le SBT s'est rodé avec le satellite Herschel, pour lequel il a conçu un cryoréfrigérateur de la taille d'un gros livre qui produira pendant trois ans des températures voisines du zéro absolu. Il élabore des projets pour refroidir des détecteurs utilisés au sol, par exemple ceux du télescope franco-canadien de Hawa : libérés des contraintes du spatial (masse, tenue aux accélérations ), ils pourront viser des prix "terrestres".
"Nos systèmes ne comportent pas de pièce mobile et ne demandent donc aucune maintenance. Ils produisent du froid entre -196°C et -272°C, avec un volume d'hélium apporté une fois pour toutes" précise Jean-Paul Perin. Leur fonctionnement repose sur le savant agencement des étages de refroidissement (deux ou trois en général) et sur des matériaux atypiques, dont la capacité calorifique augmente dans la zone de travail recherchée (au lieu de chuter) quand la température baisse. Un seul industriel au monde propose ce type de matériau aujourd'hui, mais le laboratoire compte en breveter de nouveaux d'ici quelques années.
Autre atout des cryoréfrigérateurs autonomes : ils peuvent être dotés d'une régulation de température brevetée, précise a 1/ 1000e, alors que les systèmes classiques accusent couramment des écarts de 0,05 à 1 degré. Cette régulation repose sur un logiciel à multivariables, pour gérer les interactions entre étages : une dérive sur l'un d'eux est ainsi "rattrapée" par les autres. "C'est décisif pour des applications de précision comme la détection X, la détection infra rouge ou la radiotélescopie" souligne Jean-Paul Perin.
Enfin, le SBT a mis au point des "liens thermiques" qui éloignent l'objet à refroidir de la machine et de ses vibrations. Sur le laser Mégajoule, par exemple, la température de -255°C produite par la source froide est transférée deux mètres plus loin avec des pertes thermiques quasi-nulles! Une étude sur ce thème est d'ailleurs en cours avec un industriel.
* l'hélium liquide à -269°C se réchauffe dans les lignes de transfert et s'évapore en partie. Le liquéfier à nouveau nécessiterait des puissances de compression trop coûteuses pour que l'opération soit entreprise .
