Les entreprises fondatrices et partenaires de C.Génial étaient présente au forum TOP métier 92 organisé par le Conseil Général des Hauts-de-Seine.

Ingénieur... Pourquoi pas moi ? Informez-vous !

Ce concours, créé et encadré par le dispositif de l'Education Nationale "Sciences à l'Ecole", sous le parrainage de la Fondation C.Genial, récompense des projets d'équipes d'élèves et d'enseignants ressortissant aux disciplines scientifiques et techniques.

Il est organisé au niveau national avec une dimension européenne et internationale. La finale  2010 aura lieu le samedi 15 mai au Séquoia,  pôle sciences et environnement de la ville de Nantes.

>> plus d'informations

A l’occasion de la Fête de la science, les entreprises fondatrices et partenaires de C.Génial proposent aux enseignants du secondaire (collèges et lycées) des visites de leurs sites de recherche et leurs sites techniques. Ces visites s'adressent à des groupes de 10 à 20 enseignants. Elles sont réalisées par des ingénieurs et des techniciens qui présentent leurs métiers et les technologies s'y rapportant.

Cette action s’inscrit dans la continuité de l’opération prioritaire Ingénieurs et techniciens dans les classes, en proposant une opération symétrique : accueillir dans les entreprises fondatrices des professeurs du secondaire (sans leurs élèves) pour des visites de bon niveau ciblées sur la science et la technologie.

La date de cette opération est intentionnellement choisie le mercredi 18 novembre 2009 après-midi afin de s'inscrire dans le cadre de la Fête de la science et de s'adapter au mieux à l'emploi du temps des enseignants.

Informations pratiques :

Gestion opérationnelle - Gregory Ficca et Aurélien Dutheil - www.com-science.fr

Les atomes d'une molécule de C₆₀ sont disposés selon une structure ressemblant à un ballon de football. Le nom savant de cette structure est icosaèdre tronqué. Elle comporte 32 faces, dont 20 sont des hexagones réguliers et 12 des pentagones réguliers. Ces faces sont reliées entre elles par 60 points ou sommets. Dans un fullerène, on trouve un atome de carbone à chaque sommet.

L'icosaèdre tronqué fait partie de l'un des 13 solides d'Archimède.

Vous pouvez fabriquer une maquette en papier d'un icosaèdre tronqué. Cette maquette se présente sous la forme de 20 hexagones en papier assemblés de façon à laisser un espace vide pour 12 pentagones.

Outils et matériel:

		Deux exemplaires du modèle 1 à imprimer sur du papier cartonné. (Cliquez sur l'image du modèle 1 pour télécharger le fichier PDF et l'imprimer.) Un exemplaire du modèle 2 à imprimer sur du papier cartonné. (Cliquez sur l'image du modèle 2 pour télécharger le fichier PDF et l'imprimer.) Une paire de ciseaux Ruban adhésif
Modèle 1	Modèle 2

Expérience:

Voilà ce que vous devez faire :

1. Découpez soigneusement un exemplaire du modèle 1. 2. Avec du ruban adhésif, scotchez les deux côtés repérés par la lettre « C ». Vous obtenez une structure comportant cinq hexagones formant un espace libre en son centre et ayant la forme d'un pentagone. 3. Répétez l'opération avec le deuxième exemplaire du modèle 1.
4. Découpez le modèle 2. Vous devez avoir à présent deux parties composées chacune de 5 hexagones. 5. Avec du ruban adhésif, scotchez le bord repéré par la lettre « A » de la première bande sur le bord repéré par la lettre « A » de la deuxième bande.
6. Avec du ruban adhésif, scotchez le bord repéré par la lettre « B » de la première bande sur le bord repéré par la lettre « B » de la deuxième bande.
7. Fixez l'un des assemblages réalisés à partir du modèle 1 à celui que vous venez de réaliser à partir du modèle 2 en scotchant les bords libres des hexagones comme illustré ci-contre. 8. Retournez la structure et scotchez le deuxième assemblage réalisé à partir du modèle 1 comme indiqué ci-dessus,
... c'est tout ! creusons un peu

(source Schlumberger)

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Journée d'action à Nantes le 18 novembre 2009 dans le cadre de la Fête de la science.

>> Pour en savoir plus

Des rencontres entre des ingénieurs/techniciens et des élèves de collèges/lycées sont organisées toute l'année par la fondation C.Génial et ses partenaires dans toute la France. Les directeurs scientifiques des entreprises fondatrices de CGénial se sont prêtés au jeu ce mercredi 18 novembre à Nantes dans le cadre de la Fête de la science :

• Rencontre avec Philippe Garderet, directeur scientifique d'AREVA au lycée St-Jean Baptiste de la Salle (Nantes)
• Rencontre avec Paul Friedel, directeur de la recherche et de la Stratégie des Orange Labs au lycée Jean Perrin (Rezé)
• Rencontre avec Yves Morel, expert en innovation chez Schlumberger au lycée Eugène Livet (Nantes)
• Rencontre avec Pierre-Etienne Gautier, directeur scientifique de la SNCF au lycée Nicolas Appert (Orvault)

>> Lire le reportage de Ouest-France	>> Voir le reportage de France 3 Pays-de-Loire	>> Ecouter  le témoignage de Philippe Garderet

12h00-13h00 : Rencontre au technocampus EMC² avec les partenaires de CGénial à Nantes :

• le Cnam Pays-de-Loire
• l'inspection académique de Loire-Atlantique et le rectorat de l'académie de Nantes
• la chambre de commerce et d'industrie de Nantes St-Nazaire
• la ville de Nantes
• l'école des mines de Nantes
• l'école centrale de Nantes

>> Voir l'interview de Bernard Javaudin Inspecteur académique de Loire-Altantique	>> Voir l'interview de Yannick Lefeuvre Directeur du Cnam Pays-de-Loire

14h00-17h00 : Visites de professeurs en entreprise

Visites de 4 entreprises organisées pour les enseignants du secondaire de l'académie de Nantes : AREVA Cezus, DCNS Propulsion, SNCF, Valoréna.

2 autres visites sont prévues le mercredi 9 décembre : EADS AIrbus à St-Nazaire et la Centrale EDF de Cordemais.

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Pour savoir ce qu'il y a sous nos pieds, le plus simple est de se baisser et ramasser un peu de terre. C'est ainsi que l'agriculteur arrive à connaître son sol : plus ou moins riche en sable, en argile… Pour en savoir plus, on peut creuser sur une certaine profondeur et prélever une carotte de sol pour l'analyser au laboratoire. C'est ainsi que procèdent les agronomes dans le champ de l'agriculteur, mais c'est aussi comme cela que les glaciologues ont pu étudier la neige profonde qui s'est déposée il y a 800 000 ans et la composition en gaz de l'air qui régnait à cette époque. Leur travail nous a permis de mieux comprendre l'évolution du climat. Toutes ces méthodes directes d'observation sont utiles mais ne suffisent pas toujours : parfois, on veut aller si profond ou sur une si large surface qu'il vaut mieux passer par des méthodes indirectes.

Figure 1 : Activité de prospection pétrolière, avec câbles sismiques, 1932.

Sismographie

Ainsi, pour sonder l'intérieur de la Terre et comprendre sa structure, une méthode consiste à déclencher des "mini-tremblements de terre" et suivre le déplacement des ondes de choc grâce à des sismographes placés au sol. Certaines ondes vont circuler en surface et rejoindre directement le point de mesure, tandis que d'autres vont se propager en profondeur et être renvoyées par les discontinuités entre les couches. En comparant les temps mis pour effectuer ces divers trajets, et en multipliant les mesures pour affiner le calcul, on a pu montrer que la couche superficielle de notre planète (dite croûte terrestre) a une épaisseur moyenne de 43 km (Figure 2).

Figure 2 : méthode indirecte d'étude de la Terre par sismographie (image Académie de Créteil)

Cette même méthode est utilisée par les compagnies pétrolières pour explorer la structure géologique d'une région et savoir quels types de roches elle contient, et pour détecter les éventuels gisements de pétrole. Mieux équipés que leurs prédécesseurs, les prospecteurs d'aujourd'hui possèdent un outillage qui comprend les méthodes d'imagerie sismique mais aussi la magnétométrie (mesure du champ magnétique terrestre) et la gravitométrie (mesure du champ de gravitation et de ses légères variations).

Forage

Une fois trouvé un emplacement prometteur décelé par sismographie (par exemple une poche fermée située entre deux strates),le forage peut commencer. Du haut d'un mât (ou "derrick"), on fait descendre à l'extrémité d'une série de tiges téléscopiques un trépanen acier spécial très dur, capable de creuser la roche (Figure 3). Le premier trépan creuse un trou de 30 pouces (environ 76 cm) de diamètre sur quelques dizaines de mètres, puis est remonté pour être changé. Le deuxième modèle utilisé est plus petit (environ 20 pouces), et ainsi de suite jusqu'au cinquième trépan qui fait généralement 8,5 pouces. Au fur et à mesure du forage, chacune des sections est consolidée par un tube afin de renforcer la structure et de pouvoir continuer à creuser.

Figure 3 : Exemple de trépan utilisé dans les forages

En règle générale, la vitesse de forage varie de 1 à 2 m par heure dans les terrains durs pour atteindre 30 m par heure dans les terrains tendres —  on descend ainsi jusqu’à une profondeur de l’ordre de 1 000 à 10 000 mètres.Pour mieux contrôler l'avancement du trépan, mesurer en temps réel les paramètres au fond du puits et agir en conséquence, l'industrie utilise maintenant des appareils pilotés par ordinateur. Ils permettent de relever des mesures sur la teneur en hydrocarbures et en eau, la présence de gaz, la porosité, la densité et la perméabilité. Ensemble, ces appareils offrent une mesure des caractéristiques des roches traversées, que l'on nomme une diagraphie. Ils sont aujourd'hui très sophistiqués, mais ont été mis au point en 1927 en Alsace : on doit la première diagraphie aux frères Conrad et Marcel Schlumberger de la Société de prospection électrique (aujourd'hui Schlumberger Limited). Comme les gisements faciles d'accès devinrent de plus en plus rares, l'industrie pétrolière dut se tourner vers des puits dont l'exploitation était plus difficile : cette technique lui permit d'améliorer la précision et l'efficacité du forage.

Mesure de la résistivité des sols traversés

En 1927, pendant une journée, les frères Schlumberger mesurèrent la résistance électrique (resistivité) le long d'un puits de 200 mètres (figure 4). Aujourd'hui, les diagraphies peuvent se faire à la vitesse d'1 km par heure. Leur instrument, hissé mètre par mètre avec un treuil manœuvré à la main, envoyait un courant électrique et mesurait la façon dont celui-ci se transmet dans les différentes couches. Plus une roche est imbibée d'eau, comme les sables, les marnes et les argiles, plus elle est conductrice, alors que les hydrocarbures comme le pétrole ou le gaz sont extrêmement résistifs (ils conduisent peu l'électricité).

Mesure de la radioactivité naturelle

Aujourd'hui, c'est toute une panoplie de mesures qui sont effectuées, utilisant par exemple la radioactivité naturelle et la radioactivité provoquée des couches traversées. La radioactivité naturelle provient des argiles : on y trouve du potassium-40 radioactif, dont les nombreuses charges négatives adsorbent du thorium et de l'uranium. À l’inverse, les sables et les calcaires ont une activité radioactive négligeable. Bien que la radioactivité se compose des rayonnements alpha, béta et gamma, on ne mesure que le rayonnement gamma car c’est le seul qui soit suffisamment pénétrant. L'instrument de mesure détecte la radioactivité dans un rayon de 15 à 20 cm autour du puits, et effectue une moyenne des impulsions recueillies toutes les quelques secondes. Ce pas de temps détermine notamment la vitesse de descente de la sonde, qui ne doit pas être trop élevée pour ne pas perturber la moyenne. De la quantité de radioactivité mesurée, on peut déduire le type de roche.

Mesure de la radioactivité provoquée

Lors du forage est utilisé une sonde de mesure comportant une source radioactive artificielle et des détecteurs de neutrons ; cette source émet dans le puit des neutrons rapides, c'est à dire des neutrons de haute énergie (4 à 14 M

Exemple de source radioactive utilisée La source radioactive artificielle peut être un mélange de plutonium et de béryllium (on peut aussi utiliser de l'américium, comme dans les détecteurs d'incendies). Le plutonium 238Pu éjecte naturellement une particule alpha 4He qui percute le noyau de béryllium 9Be et provoque l’émission d’un neutron rapide 1n suivant les réactions : 238Pu → 234U + 4He 4He + 9Be → 1n + 12C Figure 5 : Schéma d'une sonde dans un forage pétrolier. En haut, la détection de la radioactivité gamma naturelle. En bas, la source émettrice de neutrons rapides et les détecteurs de neutrons lents, en retour.

Les neutrons rapides traversent les parois du forage et entrent en collision avec les atomes présents dans la roche : tout comme les neutrons sont ralentis par un "modérateur" dans certains réacteurs nucléaires - souvent de l'eau - chaque choc avec les noyaux des atomes rencontrés fait perdre une partie de l'énergie du neutron. L'eau (formule H₂O) présente dans les roches est un excellent modérateur car les noyaux d'hydrogène ont une masse proche de celle du neutron, ce qui augmente leur efficacité. Ainsi, le nombre de neutrons ralentis mesuré par la sonde donne une mesure indirecte de la quantité d'eau dans un terrain et donc de la porosité du terrain - sachant que les poches de pétrole sont situées dans les roches poreuses (et piégées par une couche imperméable au-dessus).

Notons que, contrairement à la datation au carbone 14, ce n'est pas la demi-vie des éléments radioactifs qui nous intéresse dans la diagraphie, mais la présence ou non d'un rayonnement radioactif et le comportement des atomes qui reçoivent ce rayonnement. Peu importe l'histoire du terrain, seul compte son comportement au moment du forage : cela nous montre bien la diversité des informations que l'on peut tirer de cette propriété naturelle des atomes qu'est la radioactivité.

Toutes les mesures faites au cours de la diagraphie se complètent ainsi les unes les autres : si la technique des neutrons rapides (radioactivité provoquée) met en évidence la présence d'hydrogène (et donc d'eau) et que la mesure du rayonnement gamma naturel indique une couche radioactive, alors on en déduit la présence d'argiles (Figure 6). Si, par contre, on mesure une radioactivité naturelle nulle mais une forte porosité, c'est le signe d'un fluide comme l'eau ou le pétrole. On fait alors appel à d'autres mesures (par exemple la résistivité qui permet de distinguer l’eau du pétrole) pour préciser ce diagnostic.

Figure 6 : diagramme mettant côte à côte les mesures de rayonnement gamma naturel (à gauche) et de détection de neutrons lents (à droite). Plus la radioactivité naturelle est forte (pics vers la partie droite sur la partie gauche de la figure), plus nous sommes en présence d'argiles, strates imbibées d'eau et donnant une réponse forte en neutrons lents (pics vers la gauche sur la partie droite de la figure). La radioactivité naturelle faible signifie plutôt des grès et calcaires, non imbibés d'eau à la différence des argiles, et donc roches perméables ou poreuses. (source : Schlumberger)

Une fois que le gisement de pétrole est bien caractérisé et considéré valable pour l'exploitation, il reçoit un dernier cuvelage - ou tubage - d'environ 7 pouces de diamètre (18 cm) qui est ensuite percé sur place par un explosif. Non pas pour détruire ce qui vient d'être posé mais pour créer des perforations du tubage à travers lesquelles le pétrole va pouvoir circuler (Figure 6). On ouvre alors les vannes de la tête de puits en surface : la différence de pression entre la couche de pétrole en profondeur et l'atmosphère fait simplement remonter l'or noir vers la surface. Le puits est dit "naturellement éruptif" – ce qui est le cas au début de l'exploitation.

Figure 6 : forage vu en coupe, montrant les différents tubages emboîtés et les perforations terminales (désignées par “Intervalle perforé”).

Après plusieurs mois d'exploitation, les difficultés commencent et des particules rocheuses diminuent la perméabilité du drain. Quand le gisement commence à s'épuiser, sa productivité diminue en raison de multiples problèmes : baisse du différentiel de pression, baisse de sa perméabilité (capacité à transmettre les fluides) lorsqu'un mélange d'eau et de pétrole doit circuler dans les pores, venues d'eau dans la colonne de production, érosion de particules saleuses encombrant la colonne de production, etc... : il faut donc déployer une inventivité certaine pour extraire le pétrole restant ! À l'heure actuelle, on va rarement au-delà d'un taux de récupération de l'ordre de 35% dans un gisement. Pour pouvoir maximiser la production et mieux profiter des ressources de la Terre, il faut continuer à innover de manière économiquement viable.

Pour en savoir plus

Animation multimedia ­ :

Cité des sciences et de l'industrie, "Ouvrez les vannes", animation interactive

Sources documentaires

­Carottage record en Antarctique, mai 2008 (L'évolution des gaz à effet de serre sur 800 000 ans, dépêche CNRS)

­ "TP : À quelle profondeur se trouve le Moho ?" ­

Vincent Deparis, "Histoire d'un mystère : l'intérieur de la Terre", 2001

Wikipédia, article "Diagraphie"

(radioactivité) "Capteurs de rayonnements nucléaires"

Ouvrages et articles

­Robert Desbrandes (1982), "Diagraphies dans les sondages", Editions TECHNIP, 575 pp

Jacques Delacour, "Histoire de l'entreprise Schlumberger", Bulletin de la Société des amis et de l'histoire de l'École polytechnique, septembre 2003

Biographie de Conrad Schlumberger et extraits d'un article technique sur les mesures de résistivité, site des Annales des mines

Crédits : Deuxième labo SARL pour la Fondation C.Génial

En marchant le long d'une voie de chemin de fer, on peut lever la tête au passage d'un train pour apercevoir le point de contact entre le bras mécanique de la locomotive, appelé pantographe, et le câble d’alimentation électrique, appelé caténaire, ou plus précisément le fil de contact (la caténaire est l’ensemble des câbles participant à l’alimentation, voir figure ci-dessous).

Figure 1 : Le pantographe (image SNCF)

Mais aviez-vous remarqué que le câble ne touche pas exactement le milieu du pantographe comme on pourrait s'y attendre ? Non pas que les ingénieurs ferroviaires aient fait n'importe quoi…
En fait, il y a bien des endroits où la caténaire arrive au milieu du pantographe, mais pas en permanence. Sa disposition n'est pas exactement parallèle aux rails et donc à la direction du train mais change le long du trajet, avec une amplitude d'environ 20 cm. Si la caténaire louvoie ainsi, c'est pour qu'elle ne soit pas toujours en contact avec le même point du pantographe et donc limiter les phénomènes d'usure – le plat du pantographe en carbone étant de toute façon une pièce soumise à usure. Le contact avec le cuivre de la caténaire (plus précisément du fil de contact) offre ainsi une bonne conduction électrique et une réduction de l’usure.

Figure 2 : Le fil de contact de la caténaire décrit un Z entre deux poteaux (pylônes), afin de ne pas user le pantographe toujours au même point (image blog www.maths-et-physique.net). En complément allez voir la vidéo du record de vitesse TGV Est du 3 avril 2007 , et vous verrez dans les premières minutes le Z du fil de caténaire louvoyer à grande vitesse.

En prenant maintenant du recul par rapport à la voie, on peut observer comment le système fonctionne dans l'axe vertical. Plutôt que d'être réglé à une hauteur fixe, le pantographe est muni d'une articulation qui le tend comme un ressort et l'adapte aux variations de hauteur de la caténaire au-dessus de la voie. En effet, parce qu'elle est suspendue entre deux poteaux, la caténaire ploie sous son propre poids et se courbe. La forme ainsi obtenue, que l'on pourrait prendre pour un arc de parabole comme le fit Galilée, est en fait "chaînette" (d'où le mot "caténaire", qui vient du latin "catena" pour "chaînette"). Jean Bernouilli, Huygens et Leibniz la définirent pour la première fois et indépendamment en 1691, en réponse à un défi lancé par Jacques Bernouilli (frère de Jean) : la chaînette, forme que prend sous son propre poids un fil suspendu à ses deux extrémités, est engendrée par un cosinus hyperbolique (elle a pour équation y = ch x) ; sa pente est plus "douce" que celle de l'hyperbole.

Figure 3 : L’ensemble de la caténaire, avec son fil de contact, pratiquement à l’horizontale, le fil porteur, qui lui a la forme de chaînette, ainsi que les pendules de contact entre les deux fils (NB : dans la suite du texte, on emploiera le terme « caténaire » à propos du seul fil de contact.

En pratique, un système de câble porteur a été mis au point pour limiter les variations de hauteur de la caténaire, c'est-à-dire sa "flèche". Ce câble porteur en bronze, qui est situé au-dessus de la caténaire, lui est attaché à des intervalles très réguliers. La caténaire s'aligne alors presque à l'horizontale et ne subit qu'une flèche acceptable qui est liée à l’écartement entre suspenseurs et non plus à celui entre les poteaux. Pour les trains circulant à grande vitesse, il est indispensable que la flèche soit constante (pour une distance entre poteaux de 54m, elle se limite à environ 5,4cm soit 1‰). Les liaisons entre le câble porteur et la caténaire sont alors des pendules de longueur variable, suivant le même principe que les ponts suspendus. Longitudinalement, la tension mécanique de l’ensemble est précisément réglée par des tendeurs munis de contrepoids qui exercent une traction constante sur les deux câbles.

Figure 4 : La tension mécanique est assurée à la fois par le poteau tronqué, au fond, avec ses câbles qui tendent le câble porteur, et par les contrepoids le long du poteau principal. Cette photo est prise en été, les contrepoids touchent presque le sol, suite à la dilatation des câbles porteurs due à la chaleur (photos droits réservés www.photos-trains.ch)

Si le train que l'on regarde passer est un TGV, on peut se rendre compte d'une autre difficulté technique : le passage du pantographe, et la force de soulèvement qu'il exerce sur la caténaire, la fait osciller selon une amplitude pouvant atteindre 30 cm à très grande vitesse. La vitesse de propagation de l'onde, qui peut se calculer connaissant la densité de la caténaire et sa tension, vaut environ 500 km/h. La vitesse du train ne doit pas s'approcher de ce "mur de la caténaire" (une analogie avec le mur du son) pour éviter la dégradation du captage du courant voire la rupture du câble. Ceci explique que lors des trajets commerciaux de la SNCF, la vitesse soit limitée à 70 % de la vitesse de propagation des ondes c’est-à-dire 350 km/h. Pour élever en exploitation le mur de la caténaire, ou lors des records de vitesse, les ingénieurs ont le choix entre abaisser la densité de la caténaire (en utilisant un autre matériau, comme le cadmium) ou augmenter sa tension mécanique. Comme le cuivre des 15 000 km de caténaires du réseau ferroviaire français ne se remplace pas si facilement, on comprend pourquoi il est si important que la caténaire soit bien tendue mécaniquement !

Mais ce que l'on remarque le plus au passage d'un train, ce sont les éclairs bleutés qui peuvent apparaître quand des impuretés ou des défauts mécaniques de la caténaire viennent perturber cette belle mécanique. Bien qu'impressionnants, ces arcs électriques se produisent lors d’une perte de contact entre la caténaire et le pantographe et n'ont aucune incidence immédiate sur le fonctionnement du train, même s'ils peuvent fragiliser la caténaire sur le long terme. L'inspection des caténaires reste donc la garantie d'une bonne gestion de l'infrastructure ferroviaire, ce qui passe par un personnel qualifié et des équipements spécialisés comme des wagons laveurs munis de lances à eau, pour nettoyer les résidus de la pollution atmosphérique qui se sont déposés sur les caténaires et les isolateurs. 

Figure 5 : Un wagon-laveur de la SNCF en action (photo Cité des sciences et de l’Industrie)

 

 

Pour en savoir plus :

­ Jean-Marc Allenbach et coll. (2008), Traction électrique, Lausanne : Presses polytechniques et universitaires romandes

­Roland Lehoucq et Jean-Michel Courty, "Chevaucher les ondes", Pour la Science, n° 286, pp. 106-107, août 2001.

­ SNCF, “Grâce au panto, la loco est branchée !”

­ "La traction électrique : caténaire"

­ Article "Chaînette" sur Wikipédia

Crédits : Deuxième labo SARL pour la Fondation C.Génial