Février 1997 - n°15
Notre environnement
Dans notre vision de l'univers, celui-ci est constitué de matière (planètes, étoiles, le système solaire, les galaxies...) et cette matière se meut dans un milieu très raréfié que l'on appelle "le Vide".
Ce milieu a été bien médiatisé par les expériences successives de la conquête spatiale. Mais, revenons sur Terre et à l'Homme d'aujourd'hui. Chaque jour, nous sommes informés sur la situation atmosphérique au travers de bulletins météorologiques. Nous les trouvons plus ou moins optimistes suivant que l'on parle de haute pression ou de dépression (basse pression). Nous savons que cette pression atmosphérique n'est pas constante et qu'elle diminue avec l'altitude (divisée par 2 au niveau du Mont Blanc (4807m) et par 4au niveau de vol des avions longs courriers (10000m)). Toutes ces informations nous confrontent en permanence avec un couple indissociable: l'ATMOSPHERE et le VIDE.
Dès que nous prononçons, au sujet d'un gaz ou de l'atmosphère des termes tels que: basse pression, dépression, aspiration..., nous entrons, sans toujours le savoir, dans le domaine du Vide. Le "Vide" que l'on devrait appeler "Atmosphère raréfiée" est à l'image de la fameuse bouteille remplie d'un liquide, et dont on dira qu'elle est pleine. Si elle est remplie partiellement, on dira au choix: elle est partiellement pleine ou partiellement vide.
Nous parlerons toujours de "Vide partiel". La référence de la bouteille pleine sera la pression atmosphérique au niveau de la mer (altitude 0) soit 1013hecto Pascals (la hauteur de 760millimètres de la colonne à mercure de notre bon vieux baromètre). Cette notion nous parait simpliste aujourd'hui, elle a pourtant été très difficile à admettre par l'Homme en prise avec la Philosophie ou la Théologie à travers les âges. Revoyons rapidement ce cheminement.
C'est une très vieille histoire remontant à la Grèce Antique, avec la première intuition d'un monde invisible, constitué de corpuscules élémentaires indivisibles noyés dans un "Vide", ces corpuscules étant appelés "Atomes".
Cette division fut proposée par Démocrite (468-399 av J.C.), mais hélas combattue par Aristote (384-322 av J.C.) et ses disciples... Il fallut attendre 2000ans pour reparler du "Vide".
Trois hommes de sciences ont par la suite démontré, vérifié et quantifié l'évidence de l'atmosphère et du Vide: Galilée (1564-1642), son disciple Torricelli (1608-1647) et Pascal (1623-1662), notamment par sa fameuse expérience du Puy de Dôme, montrant que la pression varie avec l'altitude.
La démonstration la plus spectaculaire est due à Otto von Guericke (1602-1686). Après retrait de l'air (par pompage) d'une enceinte sphérique composée de deux hémisphères, 2attelages tirés par 16chevaux ne parviendront pas à les dissocier. Cette expérience, réalisée en 1654 à Magdebourg, convaincra les contemporains d'Otto von Guericke, de l'évidence du poids de l'air et de la pression atmosphérique. Ainsi, après un long sommeil de 2000ans, moins de 20ans permirent aux savants de l'époque, de démontrer que Démocrite avait raison.
Les bases du Vide et de l'Atmosphère étant posées, un autre groupe d'hommes, Priestley (1733-1804), Scheele (1742-1786), Lavoisier (1743-1794), Avogadro (1776-1856) et Gay-Lussac (1778-1850) ont contribué par leurs travaux à en parfaire la connaissance. La constitution de l'atmosphère a été identifiée (azote 78%, oxygène 21% et autres gaz rares 1%). Ces gaz sont di-atomiques, on parle alors de "molécules". Il y a 27milliards de milliards de molécules dans un volume de 1centimètre-cube (soit environ 2,7.1019 molécules par cm3) à la pression atmosphérique de référence.
Puis Maxwell (1831-1879) et Boltzmann (1844-1906) ont montré que toutes ces molécules sont animées d'une vitesse en fonction de la température et que la pression est la force résultante des chocs successifs sur une surface (paroi).
L'atmosphère et le Vide se résument ainsi à un milieu continu dont seule la concentration moléculaire varie. Le "Vide" commence là où la pression du milieu est inférieure à la pression atmosphérique de référence, soit inférieure à 1013hPascal ou 760millimètres de mercure.
Une fois le Vide ainsi défini et quantifié, les moyens de "faire" le Vide restaient modestes ; il a fallu attendre la fin du 19ème siècle et la moitié du 20ème pour affiner ces techniques et s'approcher du Vide interplanétaire (environ 10-12 Pascal). Ceci grâce à l'ingéniosité de Gaede (1878-1945), Holweck (1890-1941) et Langmuir (1881-1957) et à l'intervention des pompes moléculaires et à condensation.
L'évolution des moyens de produire le Vide -les découvertes et inventions donnant naissance à des industries et des produits- a été très rapide ; prenons quelques exemples:
1879 - invention par Edison de la lampe à incandescence, prémices de l'industrie des lampes à Vide.
1895 - découverte des rayons X par Roentgen qui apportera un moyen puissant dans l'aide au diagnostic médical avec radiographie.
1896 - découverte de la radioactivité par Becquerel ; Pierre et Marie Curie, ouvrant la voie vers l'étude des particules et les grands accélérateurs d'aujourd'hui.
1902 - découverte de la diode à Vide par Flemming, suivie par la triode de Lee de Forest qui révolutionnera les télécommunications.
1948 -découverte du transistor par Bardeen, Brattain et Shockley, à l'origine de l'industrie de la microélectronique et de l'industrie de l'informatique.
1969 - le 1er Homme marche sur la lune, et dans un "certain Vide" ...vieux rêves de l'humanité.
Toutes ces étapes ont profondément modifié notre environnement.
Actuellement, le "Vide" est utilisé dans la vie courante et dans de nombreux domaines, par exemple:
* Dans l'industrie agro-alimentaire:
- lors de l'emballage afin d'ôter l'oxygène et d'éviter ainsi le rancissement par oxydation,
- pour l'homogénéisation, la conservation et la concentration des denrées alimentaires fragiles,
- pour la réfrigération de certains produits frais,
- pour l'embouteillage...
* Dans l'industrie chimique où le vide est principalement utilisé pour des opérations de concentration, de distillation ou de séchage.
Le traitement de certains produits organiques thermiquement fragiles est ainsi réalisé par distillation moléculaire à des pressions comprises entre 1et 0,1 Pa. Forme particulière de distillation par évaporation en film mince, la distillation moléculaire est principalement utilisée pour l'élaboration de vitamines à partir d'huiles animales, pour la concentration des essences aromatiques, la désodorification des huiles alimentaires, ou la fabrication des huiles performantes (par exemple, perfluoropolyéthers) utilisées dans les pompes à vide...*
* Dans l'industrie de la matière plastique pour la fabrication des moulages, permettant ainsi l'absence de bulles d'air et des conditions de sécurité et de rentabilité optimales ; lors du moulage à haute température, une petite partie du polymère se dépolymérise. S'il s'agit de chlorure de vinyle par exemple, on a alors affaire à un monomère toxique. Ou bien on l'aspire pour l'évacuer dans une cheminée à grande hauteur après forte dilution, ou bien on condense la vapeur produite que l'on polymérise à nouveau. On allie ainsi écologie, protection du personnel et de l'environnement, et rentabilité sur produit récupéré**.
* Dans l'industrie électronique: le vide est utilisé à presque toutes les étapes de la fabrication des tubes électroniques, des transistors et des composants, aussi bien lors du traitement initial des matériaux que lors du contrôle d'étanchéité du produit terminé*.
* Dans les milieux de la recherche et des techniques avancées: il n'est pratiquement pas de laboratoires dans lesquels on ne puisse trouver une pompe à vide, mais dans certains d'entre eux, on ne voit pratiquement qu'elles. Un très grand nombre d'appareils d'analyse nécessitent une très basse pression pour leur fonctionnement, voire même l'ultra-vide ; c'est le cas des spectromètres de masse et de certains spectromètres à ultra-violet, à infra-rouge lointain, des sondes de Castaing, des microscopes électroniques...*
Longtemps limitées à la haute technologie (nucléaire, aérospatiale...), les applications du vide sont aujourd'hui de plus en plus nombreuses dans toutes les grandes branches industrielles -médicale, optique, métallurgie, plastique, bois, bâtiment, textile-, mais également au sein des différents laboratoires de recherche, qu'ils soient spécialisés en sciences chimique, physique ou biologique. La technique du Vide a permis de montrer l'importance des phénomènes de surface dans tous ces domaines. La Gazette du Laboratoire vous présentera, à ce titre, très prochainement quelques unes des techniques développées, transformées ou optimisées par la découverte du Vide et de ses multiples possibilités d'application.
La Société Française du Vide, qui fêtait en 1995 son 50ème anniversaire, est à votre écoute pour tout renseignement complémentaire.
Un vaste choix de revues, résumés de conférences et ouvrages spécialisés y est disponible...
Bibliographie:
*Le Vide - Ses applications et son obtention de Pierre DUVAL, ingénieur CNAM, édité par la S.F.V. (1994).
** Le Vide - Science, technique et applications, volume 51, N°277 de la S.F.V. (1995).
"Le Vide qui nous entoure" - Dossier édité par la S.F.V. (1995)
"Notions de base en technique du Vide" de Guy ROMMEL, ingénieur Ecole Sup. Electricité édité par la S.F.V. (1996).
"Le Vide Industriel" - Le Vide science, technique et applications, Vol 49 N°269, 1993 S.F.V.
"L'Aluminium pour la réalisation d'ensembles à vide"
"Dégazage sous Vide" - Le Vide Science, technique et applications Vol 50 n°273, 1994 SFV / Le Vide Science, technique et applications Vol 48 n°264, 1992. S.F.V.
"Journées Européennes de Technologie du Vide" - Actes du colloque organisé à Bordeaux par la S.F.V., 1990.
S.DENIS