DOMAINES
D’APPLICATION

Les activités de recherche du Laplace s’appuient sur les fondamentaux scientifiques des plasmas, de la thermique, de l’électromagnétisme, des matériaux et des systèmes pour comprendre les phénomènes, lever les verrous et proposer des solutions innovantes pour une conversion et une utilisation de l’énergie responsable, plus économique et respectueuse de l’environnement.
La symbiose des recherches fondamentales et appliquées permet de proposer des dispositifs en rupture (4 startups ont été créées depuis 2010 et environ 6 brevets sont déposés par an) et enrichit les connaissances dans 4 grands domaines d’applications imbriqués : l’énergie et l’environnement, l’aéronautique et l’espace, les transports terrestres, la santé et le vivant.
Pour mieux comprendre les implications de ces recherches dans notre vie courante, quelques exemples sont proposés ci-dessous. Les mots clés en orange traduisent une activité de recherche en lien avec les problématiques évoquées tout au long du texte.
Bonne lecture !

Energie et Environnement :

La transition énergétique s’appuie sur la diversification des sources d’énergie électriques (hydraulique, éolienne, photovoltaïque, marée motrice,…). Cependant, ces multi-sources produisent de l’énergie de façon intermittente et doivent donc être mises en réseau pour fournir sans interruption et de façon sécurisé de l’énergie à une diversité de charges (les dispositifs de production industriels, les habitations, les hôpitaux, les voies publiques, les systèmes de recharge,…). Un réseau intelligent (smart grid) doit donc relier les multi-sources intermittentes aux multi-charges en adaptant en permanence le besoin à la demande (commande et automatique). Ce réseau complexe intègre entre autre :

  • des interrupteurs (disjoncteurs) pour répartir en temps réel l’énergie sur les lignes du réseau ou le sécuriser lors d’un défaut ou d’une coupure,
  • des convertisseurs de courant alternatif/continue ou continue/continue (convertisseurs statiques) réalisés avec de nouveaux matériaux supportant des courants et des tensions plus élevés (matériaux et intégration) avec une gestion indispensable de la dissipation de la température (thermique).
  • des lignes de transport de l’énergie électrique fiables et adaptées aux différents niveaux d’énergie (câbles de HT).

Avoir un impact positif sur l’environnement passe également par l’élaboration de dispositifs moins consommateur d’énergie et des procédés de traitement des polluants rejetés par l’activité humaine. Dans ce cadre, les recherches consistent à élaborer des moteurs électriques de plus en plus légers tout en maintenant leur efficacité de conversion d’énergie électrique-mécanique (convertisseurs dynamiques), à concevoir de nouveaux systèmes d’éclairage moins énergivores et parfaitement adaptés à chaque utilisation (lumière et matière) ou à réaliser des dispositifs plasmas pour par exemple :

  • traiter des d’effluents, en éliminant les oxydes d’azote issus de la combustion des gaz carbonés ou hydrogénés, en réduisant les produits phytosanitaires contenus dans les cires d’abeilles, en séparation des phases dans des milieux pollués multi-phasiques, en vitrifiant des déchets par torche plasma.
  • traiter des matériaux comme le bois afin de réduire ses propriétés putrescibles, modifier l’état de surface d’un matériau pour le rendre plus hydrophobe ou améliorer ses propriétés membranaires ou de filtration.

Aéronautiques et Espace :

Dans le domaine «aéronautique» l’hybridation des sources d’énergie embarquées est une voie de recherche en pleine expansion pour réduire l’impact carbone de l’aviation. On parle souvent d’avions plus « électriques » qui intègrent par exemple des piles à combustibles pour transformer en électricité de l’Hydrogène (H2) stocké dans des réservoirs. En fonction des types d’appareils (court, moyen ou long courrier), cette électricité décarbonée peut servir à propulser un avion et/ou à produire l’énergie nécessaire aux fonctions connexes (pressurisation, climatisation, roulage dans les aéroports, …).  L’étude du vieillissement des piles à combustibles, la compréhension et la maitrise des phénomènes qui en sont à l’origine, l’allongement de leur durée de vie et de leur rendement sont des activités phares du LAPLACE qui se déploient avec l’appui d’une plateforme technologique de très haut niveau (la plateforme hydrogène).

Les problématiques de recherche dans l’aéronautique couvrent aussi une grande partie de celles relatives au domaine « énergie et environnement (voir au-dessus) » avec la contrainte d’un système embarqué de dimension finie, celle de l’avion. Plus d’électricité dans un avion demande aussi plus de tension et de courant. Les problèmes de sureté induit par des défauts de décharges électriques sur des systèmes et câbles devant tenir la haute tension, la gestion d’un réseau complexe (smart grid), celle de l’évacuation de la chaleur générée par les convertisseurs, de l’optimisation du rendement des dispositifs et de leur commande, de la diminution du rapport poids/puissance, … sont d’autant plus prégnants que les solutions doivent intégrer les contraintes de volume et de cycle de vol.

Toujours dans le domaine de l’aéronautique, l’étude et la compréhension des effets du foudroiement des avions en matériaux composite (arc tracking) sont en plein essors. Des dispositifs plasmas sont également étudiés pour traiter les surfaces des avions en phase de construction afin de favoriser l’accroche des peintures. De nouveaux matériaux électromécanique et dynamique sont également étudiés pour réduire la trainée derrière les ailes d’avions.

Dans le domaine «spatial», de nouveaux dispositifs de propulsion plasma sont développés au sein du laboratoire. Il s’agit dans ce cas de corriger la trajectoire d’un satellite en orbite en éjectant à grande vitesse des ions d’un plasma. La mise en mouvement se fait selon le principe d’action/réaction comme le recul subit lors de l’éjection à grande vitesse de balle de révolver. Une autre activité de recherche concerne l’optimisation en termes de poids et de performance des antennes émettrice et réceptrice disposées sur les satellites.  Enfin, le milieu spatial est un milieu « hostile » où les différents composants et dispositifs sont soumis à diverses rayonnements non présents sur terre car bloqués par notre atmosphère. Des recherches sont ainsi menées sur le comportement des matériaux isolants ou des dispositifs électroniques soumis à des rayonnements reproduits et contrôlé en laboratoire.

Transports terrestres :

Il est de plus en plus nécessaire de repenser les systèmes de transports terrestres pour les rendre plus efficaces et peu polluants. Le Laplace se positionne à la fois sur les transports individuels, avec des études sur l’amélioration des voitures électriques et sur la production de voitures autonomes, et sur les transports collectifs en développant des systèmes pour des trains plus performants ou encore en travaillant sur l’amélioration des performances navales tout en réduisant la pollution sonore et environnementale marine. Cette amélioration des différents transports est aussi portée par les recherches sur les systèmes de commande et de diagnostic afin d’optimiser la sécurité de tous. Focalisons-nous par exemple le développement amorcé de véhicules automobiles autonomes. Cette évolution nécessite de développer des recherches en très fort partenariat avec les industriels (LabCOM SEMA) sur la commande, le diagnostic et la sureté des dispositifs électroniques embarquées. Un véhicule autonome est bardé de capteurs pour évaluer l’environnement dans lequel il se déplace. La sureté de fonctionnement des systèmes électroniques et leur robustesse doivent être considérablement renforcés et entrainent de la redondance de gestion des pannes et des défauts.  Cette sécurité indispensable ne doit toutefois pas se faire au détriment d’une augmentation du poids des véhicules et demande donc le développement de recherche sur de nouveaux matériaux électroniques (Carbure de Silicium et Arséniure de Gallium), de l’innovation dans l’intégration 3D en électronique de puissance et dans la commande et la conception de nouveaux dispositifs électroniques répondant au spécification de sureté.

Santé et vivant :

Lesecteur de la santé présente de nombreux challenges avec d’une part des enjeux de traitements et d’autre part des besoins de matériaux innovants aux propriétés biocompatibles. Du côté des traitements, le Laplace intervient à la fois dans la lutte contre les bactéries résistantes aux antibiotiques et dans la recherche de nouveaux traitements non médicamenteux. A titre d’exemple, il est possible d’appliquer des flammes froides (plasmas non thermique) sur des tissus afin d’aider à la cicatrisation des plaies, la régénération cellulaire ou le traitement de cellules cancéreuses. Le Laplace intègre également des recherches pour produire des matériaux résistants aux biofilms bactériens ou pour faciliter la stérilisation de matériels chirurgicaux sensibles à la chaleur. Toutes ces activités sont menées en étroite collaborations avec des laboratoires spécialisés en biologie et en santé humaine et avec les différents CHU Toulousains.

D’autres applications voient le jour dans le secteur de l’agronomie. Les recherches se rapportent à la production optimisée de lumière artificielle pour le développement d’algues et de plantes en milieu urbain ou industriel, l’aide à la germination des graines et à la croissance des plantes dans des environnements en stress hydrique. Ces dernières applications utilisent les technologies plasmas pour traiter soit directement les graines et modifier leurs propriétés de surface soit pour traiter l’eau afin de réduire sa consommation à l’arrosage.