Publié le 26 mars 2024 – Mis à jour le 26 mars 2024
Les recherches au LAPLACE s’appuient sur les fondamentaux scientifiques des plasmas, de la thermique, de l’électromagnétisme, des matériaux isolants 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. Une 50aine de doctorants et post-doctorants ainsi qu’une 40aine de stagiaires (IUT, Master, Ingénieur) rejoignent chaque année le LAPLACE pour travailler sur ces thématiques.

Pour mieux comprendre les implications de ces recherches dans notre vie courante, quelques exemples sont proposés ci-dessous.

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 (habitations, voies publiques, systèmes de recharge de batterie, production industriels, …). 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). Optimiser ces réseaux électriques demande également des recherches approfondies sur les interrupteurs (disjoncteurs plasmas), les convertisseurs statiques (AC/DC, DC/DC) à fortes puissances (matériaux et intégration) avec une gestion de la dissipation thermique et la fiabilité et la durée de vie des câbles HT.

Avoir un impact positif sur l’environnement passe également par l’élaboration de dispositifs moins consommateur d’énergie et de procédés de traitement des polluants rejetés par l’activité humaine. Les recherches consistent alors à concevoir des moteurs électriques plus légers aux performances identiques (convertisseurs dynamiques), des systèmes d’éclairage moins énergivores et adaptés à chaque utilisation (lumière et matière) ou à réaliser des dispositifs plasmas pour traiter des effluents et des matériaux (NOx, produits phytosanitaires, vitrification, …) .

Aéronautiques et Espace :

En aéronautique, l’hybridation des sources d’énergie embarquées est une voie de recherche en pleine expansion afin de réduire l’impact carbone. On parle souvent d’avions plus « électriques » qui intègrent par exemple des piles à combustibles (PàC) pour transformer en électricité de l’Hydrogène. Cette électricité décarbonée peut servir aux fonctions connexes indispensables telles que la pressurisation des cabines, la climatisation, le roulage dans les aéroports, ... L’étude du vieillissement et de la durée de vie des PàC est une des activités phares du LAPLACE qui se déploie avec l’appui d’une plateforme technologique de très haut niveau (la plateforme hydrogène).

L’avion est un système embarqué de dimension finie. Plus d’électricité demande aussi plus de tension et de courant. Les problèmes de sureté induit par des défauts de décharges électriques, la gestion d’un réseau complexe (smart grid), la diminution du rapport poids/puissance, … sont autant de sujets qui doivent intégrer les contraintes de volume et de cycle de vol.

Les études et la compréhension des effets du foudroiement des avions en matériaux composite (arc tracking) sont également 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 », des dispositifs innovants 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 faisant selon le principe d’action/réaction. Des activités de recherche se focalisent également sur l’optimisation des performances des antennes 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 soumis à des rayonnements reproduits et contrôlés 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 (voitures électriques et autonomes) et collectifs (ferroviaire et naval). Le développement des voitures autonomes conduit à des recherches menées en fort partenariat avec les industriels (LabCOM SEMA) sur la commande, le diagnostic et la robustesse des électroniques embarquées. La sureté de fonctionnement et l’augmentation des puissances électriques ne doit cependant pas se faire au détriment d’une augmentation du poids des véhicules. Ainsi, des recherches de pointes sont menées sur l’utilisation de nouveaux matériaux électroniques (Carbure de Silicium et Arséniure de Gallium), sur l’intégration 3D en électronique de puissance (plateforme 3DPHI) et sur la conception de nouveaux dispositifs électroniques répondant aux spécifications de fiabilité et sureté.

Santé et vivant :

Le secteur de la santé présente de nombreux challenges. 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 cellulaires ou le traitement de cellules cancéreuses. Le LAPLACE intègre également des recherches pour produire des matériaux résistants aux biofilms, faciliter la stérilisation de matériels chirurgicaux ou augmenter la biocompatibilité (traitement des stents). Toutes ces activités sont menées en étroite collaborations avec des laboratoires de biologie et de santé et des CHUs.

D’autres applications voient le jour dans le secteur de l’agronomie. Les recherches concernent la production optimisée de lumière artificielle pour le développement d’algues et de plantes en milieu urbain ou industriel, le développement de technologies plasmas pour l’aide à la germination des graines et à la croissance des plantes dans des environnements en stress hydrique.