Inventeurs et Soleil

Les inventeurs et le Soleil

 

Archimède 287-212 av. J.-C

Lorsque Syracuse fut assiégée par la flotte romaine, en 209 av. J.-C., pendant la deuxième guerre punique, on lui attribue l’invention d’un moyen d’incendier les navires ennemis en concentrant sur eux les rayons du soleil grâce à un jeu de miroirs. Lors de l’attaque de Syracuse, alors colonie grecque, par la flotte romaine, la légende veut qu’il ait mis au point des miroirs géants pour réfléchir et concentrer les rayons du soleil dans les voiles des navires romains et ainsi les enflammer. Cela semble scientifiquement peu probable car des miroirs suffisamment grands étaient techniquement inconcevables, le miroir argentique n’existant pas encore. Seuls des miroirs en bronze poli pouvaient être utilisés. Une expérience menée par des étudiants du Massachusetts Institute of Technology (MIT) en octobre 2005 semblait démontrer que cette hypothèse était réaliste. Le professeur David Wallace et ses étudiants parvinrent en effet à enflammer une reconstitution de bateau romain à 30 mètres de distance en dix minutes. Cependant, cette expérience avait été menée hors de l’eau, sur du bois sec, sur une cible immobile et à l’aide de miroirs ordinaires et non de miroirs en bronze comme ceux de l’époque d’Archimède.

 


Socrate 470-399 av.J-C.

Philosophe grec qui a enseigné la construction bioclimatique (entre autres choses). D’après Xenophon, Socrates a expliqué que, dans les maisons orientées au Sud, le soleil pouvait pénétrer à travers le portique en hiver, tandis qu’en été, le soleil est au dessus du toit et fait de l’ombre.

Reconstruction d’une maison dans la ville de Priene

 


Antoine Laurent de Lavoisier 1743-1794

Chimiste, il a inventé un four solaire utilisant des lentilles convergentes afin de fondre des métaux sans la pollution des combustibles.

 


 Horace Bénédicte de Saussure 1740-1799

Physicien suisse, il inventa la « boîte chaude » en 1767 afin de démontrer l’effet de serre. Il est considéré comme le précurseur du capteur solaire plan. Ses « boîtes chaudes » avec des parois isolées et un ou plusieurs vitrages étaient des précurseurs des capteurs plans. La coupe d’une boîte chaude montre le thermomètre qui traverse les parois pour mesurer la température de l’air.

 


Isaac Newton 1642-1727

Il donna en 1669 une théorie de la composition de la lumière blanche qui est devenu la fondation de la spectroscopie. En 1660, Newton, qui a alors 18 ans, passe son temps enfermé dans une pièce dont il a soigneusement calfeutré toutes les ouvertures. Tous les volets sont hermétiquement fermés, l’un étant percé d’un petit trou par lequel la lumière solaire pénètre. Devant cet étroit faisceau, Newton promène tantôt une feuille de papier, tantôt sa main, et parfois il laisse le rayon traverser la pièce pour former une tâche lumineuse blanche sur le mur en face. Un observateur extérieur pourrait croire qu’il s’amuse. Pourtant, le jeune homme travaille : dans sa main, il tient un prisme triangulaire, un simple morceau de verre à 3 faces égales. Quand il place ce prisme dans le faisceau lumineux, Newton voit la tâche blanche disparaître pour laisser apparaître une bande couleur arc en ciel.

 


Antoine Becquerel 1788-1878

 

Reconstitution de l’expérience de Bequerel

Il a inventé la pile photovoltaïque en 1839. (Son petit-fils Henri a découvert la radioactivité). Les premières expériences de Becquerel consistèrent à diriger un faisceau de rayons solaires sur deux liquides réagissant l’un sur l’autre et superposés avec soin dans un récipient en verre; si l’on plongeait deux lames de platine dans chacun des liquides, on observait alors le passage d’un courant en les reliant à un galvanomètre très sensible. Il améliora les résultats en divisant en deux compartiments une cuve opaque dont seule la face avant était transparente; il la sépara en deux par une fine membrane opaque et poreuse, puis remplit la cuve d’une solution acide ou alcaline; enfin il disposa une électrode de platine, préalablement portée au rouge, dans chaque compartiment. Dès qu’un rayon de soleil atteignait l’électrode au travers de la face vitrée de la cuve, le galvanomètre branché aux deux bornes indiquait le passage d’un courant. Pour la confection des électrodes, il essaya successivement de l’or, de l’argent, du laiton : le résultat ne changeait pas ; en revanche il augmenta la tension délivrée en utilisant des lames de laiton ou de platine recouvertes sur une face de chlorure, de bromure ou d’iodure d’argent fraîchement préparés. A la suite de ces expériences, Becquerel fabriqua un actinomètre électrochimique qui peut être considéré comme l’ancêtre des cellules photoélectriques.

 


Augustin Mouchot 1835- 1912

En 1860, le professeur de mathématiques du Lycée de Tours, Augustin Mouchot, a écrit « dans le futur on ne trouvera plus de charbon en Europe…que fera l’industrie ? » Sa réponse était la maîtrise de l’énergie solaire. Après 20 ans de recherche, il a inventé la principe de la poursuite du soleil avec un capteur à concentration. La machine exposée à Paris avait un réflecteur en cuivre argenté et un circuit hydraulique dans un cylindre peint en noir, elle produisait assez de vapeur pour faire marcher un moteur avec la puissance d’un demi cheval.

 

Le four solaire de Mouchot à l’exposition universelle de Paris en 1890

 


Robert Stirling (1790-1878)

Le Pasteur écossais Robert Stirling a déposé un brevet pour un « moteur à air chaud » en 1816. L’air enfermé dans un cylindre étant soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement et compression au moyen d’une source de chaleur externe, afin de produire un mouvement rotatif. Malgré de nombreuses applications le moteur « Stirling » ne résistait pas à la compétitivité économique d’abord des moteurs à vapeur et ensuite des moteurs à combustion interne. Actuellement, les avantages écologiques : silence de fonctionnement, rendement élevé, fiabilité nécessitant peu de maintenance et absence totale de pollution si la source de chaleur est le soleil, font que les moteurs « Stirling » sont utilisés en liaison avec des capteurs solaires à concentration pour produire de l’électricité.

 


Charles Vernon Boys 1855-1944

Physicien anglais, inventeur du capteur cylindro-parabolique, qui a été mis en œuvre pour la première fois en 1912. La centrale thermique solaire à Meadi en Égypte, utilisée pour le pompage de l’eau d’irrigation. Cette centrale à été construite par l’inventeur et entrepreneur américain Frank Shuman en 1912. La conception cylindro-parabolique est due au Professeur C.V. Boys. 5 réflecteurs, 60 m par 4 m d’ouverture pouvaient fournir 55 chevaux vapeur et pomper plus de 2 000 litre par minute. La figure 2 montre le schéma du brevet pour un mécanisme de poursuite du soleil, utilisant un thermostat, expérimenté pour la première fois à Meadi. Les anglais ont voulu une centrale au Soudan et le gouvernement allemand a commandé des centrales similaires pour leurs colonies en Afrique, mais ces belles perspectives furent abandonnées avec la guerre.

 


Félix Trombe (1906-1985)

Il obtient le diplôme d’ingénieur-chimiste en 1928 à l’institut de chimie de Paris. Pendant sa thèse en 1930, il étudie les propriétés des métaux de la série chimique des lanthanides.Il dirige ensuite pendant 24 ans (1945-1969) le laboratoire Georges Urbain dédié à l’étude de ces métaux du Centre national de la recherche scientifique (C.N.R.S.).
En 1944, les Allemands quittent la France et abandonnent à Mont-Louis un projecteur DCA pour repérer les avions. C’est un miroir parabolique orientable au foyer duquel est placée une forte ampoule, ce qui donne un faisceau de lumière parallèle. On dirige alors ce projecteur vers le ciel, la nuit.
En vacances à Mont-Louis Félix Trombe eut l’idée de réutiliser ce projecteur abandonné là, mais à l’envers: on le dirige vers le soleil (de jour donc), et les rayons parallèles du soleil sont concentrés grâce au miroir parabolique vers le foyer. Si on tient une bûche pile à cet endroit, elle prend instantanément feu.
Il dirige en 1949 la création, à Mont-Louis (Pyrénées-Orientales), d’un prototype de four solaire d’une puissance de 50kW, puis du grand four de 1000 kW d’Odeillo Font-Romeu.
Dans le cadre des économies d’énergie ou de l’aide aux pays en voie de développement, Félix Trombe étudie d’autres formes d’exploitation de l’énergie solaire passive. Il crée avec l’architecte Jacques Michel le Mur Trombe. Ce mur est composé d’un bloc de béton qui accumule le rayonnement solaire du jour et restitue pendant la nuit la chaleur accumulée. Il y a un gros inconvénient au système, si en hiver c’est efficace, en été il peut faire très chaud !

 

 


 Bernard Lyot (1897 – 1952) l’inventeur d’éclipses artificielles

La première pierre de l’Observatoire du pic du Midi de Bigorre, perché à 2 872 mètres d’altitude, fut posée en 1878. Cinquante ans plus tard, un astronome français travaillant au pic, Bernard Lyot, inventait le coronographe, appareil destiné à observer la couronne solaire en reproduisant artificiellement une éclipse de Soleil. Une invention qui fit de l’Observatoire du pic du Midi un site pionnier pour l’observation du Soleil, apprécié des astronomes spécialistes de notre étoile dans le monde entier. La première idée des astronomes était de cacher simplement l’image du Soleil rendue par une lunette, grâce à un écran rond placé en avant du miroir secondaire et occultant la presque totalité de l’étoile. Plusieurs fois expérimenté au XIXe siècle, ce système se solda chaque fois par un échec. La lumière diffusée par l’objectif ne permettait pas l’observation des protubérances solaires, trop diffuses, noyées dans le halo de l’atmosphère terrestre entourant la couronne.
En 1930, le génie de Bernard Lyot fut de comprendre qu’on pouvait arrêter cette lumière en intercalant un diaphragme entre l’oculaire et la lentille secondaire du télescope. Il ajouta à son montage un filtre H-alpha absorbant les rayons X et gamma. L’image ainsi obtenue de la couronne pouvait être restituée à l’observateur, débarrassée de sa lumière parasite.


Très vite l’inventeur et son invention firent le tour du monde et, à l’instar du pic du Midi, de nombreux observatoires eurent leur coronographe. Dans les années soixante, la confrontation des observations par coronographie et de la théorie de la physique atomique permit de déterminer l’origine de la raie verte observée depuis longtemps dans la couronne solaire, notamment lors des éclipses, mais dont la source demeurait inconnue aux chercheurs qui l’avaient baptisée « coronium ».  » L’émission, la plus brillante de toutes celles que recevaient les spectrographes, était en fait celle du fer 14 chauffé à 2 millions de degrés! Les astronomes étaient loin de s’imaginer que la couronne montait à une telle température, alors que la surface de l’étoile est à 6 000°C. C’est pourtant une réalité que nous tentons peu à peu d’élucider « , explique Jacques-Clair Noens, astrophysicien, spécialiste de la couronne à l’Observatoire du pic du Midi.

Des images du coronographe du GAP47