Un nouveau microscope quantique offre une capacité d’observation révolutionnaire

L’avènement de la technologie laser a permis d’obtenir des lumières plus intenses et concentrées qui, utilisées dans la microscopie, ont offert la possibilité aux scientifiques d’observer des détails à très petites échelles. Cependant, la microscopie laser comporte un problème : les échantillons peuvent être rapidement dégradés dans le processus. Pour contourner cet obstacle, une équipe de chercheurs a mis au point une méthode de microscopie basée sur l’intrication quantique. Cette dernière leur a permis d’observer des détails encore plus précisément sans poser de dangers à l’échantillon.

Dans un article publié dans la revue Nature, des chercheurs australiens et allemands ont montré que les technologies quantiques offrent une solution aux problèmes posés par la microscopie laser. Ils ont construit un microscope quantique qui peut sonder plus doucement des échantillons biologiques, ce qui leur a permis d’observer des structures biologiques qui seraient autrement impossibles à voir.

La création d’un microscope évitant les dommages aux échantillons est une étape très attendue dans la technologie quantique. Elle représente une première étape dans une nouvelle ère passionnante pour la microscopie, et plus largement pour les technologies de détection. Les microscopes ont une longue histoire. On pense qu’ils ont été inventés pour la première fois par le fabricant de lentilles néerlandais Zacharias Janssen au tournant du XVIIe siècle. Il les a peut-être utilisés pour contrefaire des pièces de monnaie.

Ce début mouvementé a conduit à la découverte des bactéries, des cellules et essentiellement de toute la microbiologie telle que nous la comprenons maintenant. L’invention plus récente des lasers a fourni un nouveau type de lumière focalisée. Cela a rendu possible une toute nouvelle approche de la microscopie. Les microscopes laser nous permettent de voir la biologie avec des détails vraiment profonds, 10 000 fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain.

Nouveau microscope quantique
Une nouvelle méthode révolutionnaire de microscopie basée sur l’intrication quantique (Source : Laser Focus).
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Un nouveau « supercalculateur » pour booster les prévisions météo

Nouvel équipement de Météo France à Toulouse, le supercalculateur Belenos est capable de plus de 10 millions de milliards d’opérations à la seconde.

Dans une vaste salle du « météopole » de Toulouse, « Belenos » ronronne dans une lumière bleu électrique. Capable de plus de 10 millions de milliards d’opérations à la seconde, ce nouveau supercalculateur doit faire gagner de précieuses minutes aux alertes météo… et étudier le changement climatique. Météo France espère « gagner une à deux heures » sur ses alertes de vigilance et améliorer encore leur précision, explique François Lalaurette, directeur des opérations pour la prévision de Météo France.

Les ingénieurs ont ainsi recréé avec ces nouveaux outils « l’épisode méditerranéen » meurtrier qui a ravagé les Alpes-Maritimes en octobre. Météo France avait alors donné l’alerte bien en amont, mais, en repartant des données de l’époque, le nouvel équipement estime avec beaucoup plus de précision l’intensité et la localisation des précipitations qui s’étaient abattues sur les vallées de la Roya et de la Vésubie.

Car Belenos et son jumeau Taranis, installé sur le campus de l’université, multiplient par 5,5 la puissance de calcul par rapport à leur prédécesseur. Avec une capacité totale de 21,48 « petaflops » (millions de milliards) d’opérations à la seconde, ils font gagner quelques places à la France dans le « top 10 » international des grands de la météo et du climat (dominés par les Etats-Unis et la Grande-Bretagne). Et permettent de gérer l’augmentation constante des données à traiter : plus de 40 millions d’observations individuelles par jour actuellement pour un modèle de prévisions mondial, entre 0,8 et 1,8 million pour la seule France métropolitaine. La « maille » des prévisions est également resserrée, de 2,5 à 1,3 kilomètres. En 1992, le premier supercalculateur de Météo France travaillait sur des carrés de 35 kilomètres de côté.

Salle prévision Météo France Toulouse
Dans une salle de Météo France à Toulouse le 2 juin 2021 (Source : AFP).
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Une intelligence artificielle trouve des solutions précises à l’équation de Schrödinger

Ces dernières années ont été jonchées d’avancées spectaculaires dans le domaine de l’intelligence artificielle, notamment concernant les réseaux neuronaux, développés dans divers buts de résolution de problèmes complexes, allant de l’automatisation de systèmes informatiques (comme la reconnaissance faciale ou l’apprentissage automatique) à la résolution purement mathématique. Dernièrement, une équipe de chercheurs a exploité un tel réseau d’IA en développant une méthode capable de calculer des états propres (des solutions) de la célèbre équation de Schrödinger en chimie quantique.

L’objectif de la chimie quantique est de prédire les propriétés chimiques et physiques des molécules en se basant uniquement sur la disposition de leurs atomes dans l’espace, en évitant de recourir à des expériences en laboratoire qui demandent beaucoup de ressources et de temps. En principe, cela peut être réalisé en résolvant l’équation de Schrödinger, mais dans la pratique, c’est une tâche extrêmement difficile. Pour pallier ce problème, une équipe de chercheurs de la Freie Universität Berlin, en Allemagne, a mis au point une méthode basée sur un réseau neuronal permettant une combinaison sans précédent de précision et d’efficacité de calcul pour aboutir au résultat.

Jusqu’à présent, il a été impossible de trouver une solution exacte pour des molécules arbitraires qui puissent être calculées efficacement. « Nous pensons que notre approche peut avoir un impact significatif sur l’avenir de la chimie quantique », déclare le professeur Frank Noé, qui a dirigé l’équipe. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature Chemistry.

La fonction d’onde — qui spécifie le comportement des électrons dans une molécule — est au cœur de la chimie quantique et de l’équation de Schrödinger. Il s’agit d’une entité à haute dimension, et il est donc extrêmement difficile de saisir toutes les nuances qui codent la façon dont les électrons individuels s’influencent les uns les autres. D’ailleurs, de nombreuses méthodes de chimie quantique renoncent à exprimer la fonction d’onde dans son ensemble, et tentent seulement de déterminer l’énergie d’une molécule donnée. Il est cependant nécessaire de faire des approximations, ce qui limite la qualité de prédiction de ces méthodes.

 

Intelligence artificielle & Equation de Schrödinger

Une intelligence artificielle capable de calculer des états propres (des solutions) de la célèbre équation de Schrödinger en chimie quantique.

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Green Turtle, un robot nageur qui chasse les déchets sous-marins

Une équipe de jeunes ingénieurs a inventé un robot tortue intelligent, capable de repérer les déchets en milieu aquatique afin de les collecter dans les ports.

Parce que 75% des tortues marines ingèrent du plastique, Baptiste Jagoury a pensé que ce serait « une juste revanche d’avoir un robot ramasse-déchets qui s’inspirerait de cet animal ». Cet étudiant ingénieur de l’Estaca (École supérieure des techniques aéronautiques et de construction automobile) a travaillé, avec neuf autres étudiants, pendant un an sur le projet Green Turtle (tortue verte en anglais), un robot-poubelle agile dédié aux zones portuaires.

La coque est équipée de larges nageoires, « utiles pour se déplacer sur tous les axes », souligne Baptiste Jagoury, le chef du projet. Chez leur modèle marin, les pattes avant de reptile terrien ont évolué en nageoires très efficaces qui leur permettent de faire des pointes de vitesse à 35 km/h, quand son équivalent robotique se contentera d’une moyenne de 6 km/h. La Green Turtle aura la taille d’une tortue adulte : un mètre de long, deux mètres de large avec les nageoires, avec la capacité de stocker 50 litres de déchets.

Robot Green Turtle

Green Turtle, ou le robot-tortue, conçu pour parcourir traquer et avaler les déchets plastique dans la mer (Source : ESTACA).

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Les Airbus de demain voleront-ils à l’hydrogène ?

Parmi les mesures du plan de soutien à l’aéronautique du gouvernement francais, figure l’objectif de lancer dès 2035 un avion volant à l’hydrogène sans émettre de CO2. Luis Le Moyne, directeur de l’Institut supérieur de l’automobile et des transports, nous explique la difficulté de la tâche.

Il y a quelques jours, lors de l’annonce du plan gouvernemental de relance de l’aéronautique, la France a indiqué vouloir un avion zéro émission carbone à l’hydrogène dès 2035. En annonçant l’octroi d’un financement d’1,5 milliard d’euros sur 3 ans au Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), l’État souhaite amorcer un programme de Recherche et Développement dans les technologies de réduction de la consommation de carburant, les technologies d’électrification des avions et les expérimentations de carburants neutres en carbone comme l’hydrogène.

Ce financement a aussi pour but d’éviter aux industriels concernés tout risque de retard, voire d’être dépassés par leur concurrents si les compagnies aériennes, poussées par leurs clients, se faisaient plus insistantes et réclamaient un avion zéro émission carbone dès le début de la décennie 2030.

Si Elisabeth Borne, ministre de la Transition écologique et solidaire s’est dite confiante dans la réalisation d’un tel avion à cet horizon, des spécialistes de l’aviation commerciale et du secteur des transports sont plus nuancés. C’est le cas de Luis Le Moyne, directeur de l’Institut supérieur de l’automobile et des transports.

Voilà à quoi devrait ressembler l’avion électrique à hydrogène Element One (Source : HES Energy Systems).

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Covid-19 : quand l’IA propose un nouvel outil de modélisation pour aider les politiques sanitaires

Quelques mois après l’émergence d’un nouveau coronavirus du côté de la Chine, le monde entier espère un traitement ou un vaccin qui permettra de lutter contre la pandémie de Covid-19. En attendant, seules les politiques sanitaires semblent à même de limiter la propagation du SARS-CoV-2. Encore faut-il être capable d’en évaluer l’efficacité. C’est l’objectif d’un partenariat entre l’Institut de recherche pour le développement (IRD) et la R&D d’EDF : modéliser l’impact de telles politiques à l’échelle locale.

Game of Thrones, World War Z ou encore le mythique Seigneur des anneaux. Ce que ces productions cinématographiques ont en commun, c’est le recours à des « foules de synthèse ». Des animations réalisées sur ordinateur, mais qui reproduisent fidèlement la réalité des phénomènes de foule. « C’est un exemple de ce que peuvent apporter les systèmes multi-agents (SMA) », explique Mathieu Schumann, ingénieur au sein de la R&D d’EDF. Cette branche de l’intelligence artificielle vise à reproduire le comportement d’un ensemble d’agents — des processus, des robots ou encore des êtres humains –, évoluant dans un certain environnement, en interaction les uns avec les autres.

De nombreuses disciplines exploitent aussi ces technologies. Ainsi le secteur de l’énergie ou des télécommunications. Et ce sont ces SMA qui sont aujourd’hui au cœur d’un partenariat conclu entre la R&D d’EDF et l’Institut de recherche pour le développement (IRD). Les deux entités ont convenu d’associer leurs moyens de recherche pour répondre aux enjeux de la lutte contre le Covid-19 et fournir aux décideurs locaux un outil d’aide à la décision dans cette situation de crise inédite. Alors que les modèles d’épidémiologie classiques permettent de donner une projection dans l’évolution de compartiments de population (compartiments des infectés, guéris, décédés, etc.), l’utilisation des modélisations multi-agents permet en effet de prendre en compte l’hétérogénéité de la population et les caractéristiques des individus (âge, occupations, etc.), à plusieurs échelles territoriales.

Modelisation IA & Covid-19

L’objectif d’un partenariat entre l’Institut de recherche pour le développement (IRD) et la R&D d’EDF est de modéliser l’impact des politiques sanitaires sur la propagation du coronavirus.

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Méthanisation : comment une station d’épuration transforme ses déchets en énergie verte ?

À l’écart de la ville de Fréjus, dans le Var, la station d’épuration du Reyran accueille depuis mars 2019 une unité de méthanisation destinée à valoriser les boues d’épuration. En compagnie de Philippe Chaniol, nous avons pu voir et comprendre le processus qui permet de passer d’un déchet à une énergie renouvelable respectueuse de la planète.

Fin mars 2019, la France comptait 88 unités productrices de biométhane, essentiellement des installations autonomes de faible capacité situées sur des exploitations agricoles. Quelques semaines avant la publication de ces chiffres, la station d’épuration du Reyran, située sur la commune de Fréjus, mettait en route sa propre unité de méthanisation, le 18 mars 2019. Celle-ci est destinée à valoriser les boues urbaines traitées par la station d’épuration de façon vertueuse. Le projet, porté par la Cavem (Communauté d’Agglomération Var-Esterel Méditerranée) et l’Ademe, a obtenu en 2019 le Green Solutions Awards qui récompense les usines exemplaires d’économie circulaire.

Philippe Chaniol, directeur de Territoire Esterel à Veolia, et son collègue Dominique Oreste nous ont guidés dans ce dédale de tuyaux et de cuves pour mieux comprendre comment la station d’épuration du Reyran valorise les boues urbaines issues des eaux usées des villes de Fréjus, Saint-Raphaël, Puget-sur-Argens et d’un quartier de Roquebrune-sur-Argens, grâce à la méthanisation.

Parmi les 10.000 tonnes de boues valorisées sur le site, environ 30 % empruntent le chemin de la méthanisation. Le cœur du système de méthanisation est le digesteur, une cuve calorifugée gigantesque dont la modernité tranche avec les bâtiments construits en 1983.

Step du Reyran

Vue aérienne de la station d’épuration du Reyran basée à Fréjus (Source : Step du Reyran).

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Des chercheurs ont conçu des plantes autoluminescentes qui brillent toute leur vie

Dans la nature, des milliers d’espèces animales émettent de la lumière : des espèces marines surtout (plancton, méduses, crustacés, poissons et calmars), mais aussi certains coléoptères (lucioles et vers luisants) par exemple. La bioluminescence se fait en revanche plus rare dans le règne végétal ; seules quelques espèces de champignons affichent cette propriété. En 2017, des chercheurs du MIT ont toutefois réussi à développer une plante luminescente, qui a produit une lueur d’environ un billion de photons par seconde pendant près de 3h30. Aujourd’hui, une autre équipe de scientifiques présente une plante capable de produire une lueur autoentretenue pendant toute sa durée de vie.

La question que vous vous posez certainement est : mais à quoi peuvent bien servir des plantes autoluminescentes ? Si les scientifiques qui travaillent sur le sujet ambitionnent de développer un jour de véritables lampes de bureau, voire des réverbères naturels, nous en sommes encore loin… Mais en attendant, cette émission de lumière peut permettre de mieux comprendre certains comportements végétaux, comme l’expliquent les auteurs de l’étude : « En permettant l’émission de lumière autonome, les processus dynamiques dans les plantes peuvent être surveillés, y compris le développement et la pathogenèse, les réponses aux conditions environnementales et les effets du traitement chimique ».

La bioluminescence, c’est la production et l’émission de lumière par un organisme vivant, suite à une réaction chimique. Le composé chimique à l’origine de cette production de lumière est la luciférine : en présence d’une enzyme, la luciférase, elle s’oxyde et émet de la lumière. Le phénomène repose donc sur l’oxydation de composés organiques induisant une émission de photons.

Dans l’océan, 76% des animaux sont capables de bioluminescence ; soit ils produisent leur propre lumière, soit ils abritent des bactéries qui se chargent de cette tâche. Cette bioluminescence a de multiples fonctions chez les êtres vivants : elle permet de s’éclairer évidemment, mais aussi de communiquer, de se camoufler, d’attirer des proies ou de repousser les prédateurs.

Fleurs tabac bioluminescentes

Fleurs de tabac bioluminescent (Source : K. Sarkisyan et al./Nature Biotechnology).

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Énergie solaire : des chercheurs atteignent un rendement proche de 50% en laboratoire

Les énergies renouvelables représentent aujourd’hui 19% de l’énergie consommée dans le monde ; la proportion d’énergie solaire n’est que de 0,7 %. Une part relativement minime, mais qui connaît une forte progression depuis quelques années. D’autant plus que les progrès techniques dans le secteur permettent de concevoir des panneaux solaires de plus en plus performants. Pour preuve, en matière d’efficacité, de nouveaux records viennent d’être battus : des scientifiques américains du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont atteint un rendement de 47,1%, tandis que des chercheurs du centre Helmholtz de Berlin ont conçu un nouveau type de cellule tandem affichant une efficacité de 24,16 %.

En 2016, près de 75 GW de panneaux photovoltaïques ont été installés dans le monde. La puissance mondiale du solaire photovoltaïque représentait alors 303 GW. En 2017, la capacité du parc solaire photovoltaïque français – dont les deux tiers se situent dans la moitié sud du pays – atteignait 7660 MW. La filière thermique est la plus exploitée : à l’échelle mondiale, elle représente 70,7% de l’énergie solaire consommée. Cette technologie convertit le rayonnement solaire en énergie thermique permettant de produire de l’électricité, mais aussi de la chaleur ou du froid. Le photovoltaïque – qui transforme directement le rayonnement solaire en électricité – représente quant à lui 28,6%. Enfin, le solaire thermodynamique à concentration compte pour 0,7% du total.

Aujourd’hui, les cellules solaires traditionnelles, à base de silicium et à jonction unique, sont limitées à 30% de rendement. Des rendements plus élevés sont toutefois possibles en multipliant les jonctions et en concentrant la lumière : des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL), situé à Golden dans le Colorado, sont en effet parvenus à un rendement proche de 50%.

L’équipe du NREL a développé une cellule solaire à six jonctions. Chacune de ces six jonctions est conçue pour capturer une gamme spécifique de la lumière du spectre solaire. Ainsi, ils sont parvenus à un taux de conversion d’énergie sans précédent : 47,1% !

Panneaux solaires Lire la suite

StopCovid, l’application française pour tracer les malades du Covid-19, prend du retard

Le gouvernement a dévoilé mercredi les grandes lignes de son application pour smartphone qui sera utilisée pour suivre les malades mais aussi alerter les personnes en contact avec des cas contaminés. Le problème, c’est qu’elle n’est pas prête.

Considérée comme un outil essentiel dans la lutte contre l’épidémie et le suivi des personnes infectées, l’application sur smartphone est déjà utilisée en Corée du Sud, à Singapour, en Chine et même en Allemagne depuis mardi. La France a l’intention d’en faire de même, sauf qu’elle n’est pas prête, et elle ne le sera pas à court terme !

Dévoilée mercredi « StopCovid » n’en est qu’aux prémices de son développement. « Il faut encore la développer, il faudra a minima plusieurs semaines pour tout faire » a reconnu le secrétaire d’Etat au numérique Cédric O sur l’antenne de France Inter. Il en a détaillé le futur fonctionnement et, comme prévu, il s’agit de prévenir les utilisateurs qu’ils ont été en contact avec une personne atteinte du coronavirus. Objectif : que la personne, informée via une alerte de son smartphone, puisse prendre ses dispositions pour se faire tester, et possiblement rester chez elle en confinement si le test est positif.

Application StopCovid

Le « tracking » des personnes malades du coronavirus pourrait poser des problèmes sur le respect et la défense des libertés individuelles.

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