Pour marquer notre 150e anniversaire, nous revisitons le Histoires de vulgarisation scientifique (à la fois réussies et ratées) qui ont aidé à définir le progrès scientifique, la compréhension et l'innovation, avec une touche supplémentaire de contexte moderne. Explorez l'ensemble Des archives séries et découvrez toute notre couverture anniversaire ici.
L'application de la puissance de la lumière solaire concentrée remonte à l'Antiquité. Pendant le siège de Syracuse en 212 avant notre ère, le légendaire mathématicien grec Archimède a inventé un rayon solaire de la mort. Ses boucliers en bronze poli réfléchissaient les murs de la lumière du soleil sur les navires romains qui s'approchaient pour les enflammer, un exploit qui a été reproduit à l'époque moderne.
Au moment Popular Science a publié "Sun Furnace Goes to Work" d'Alden P. Armagnac en mars 1954, l'écrivain et éditeur prolifique était bien dans ses quatre décennies et plus de couverture du rythme scientifique. Habitué à raconter des histoires passionnantes, Armagnac, un ingénieur chimiste de l'Université de Columbia, a cherché à rendre la science divertissante. Il a omis de mentionner Archimède dans son tour de la technologie solaire, mais il cite Lavoisier, un chimiste français renommé du XVIIIe siècle qui utilisait des miroirs éclairés par le soleil pour faire fondre les métaux.
La caractéristique ensoleillée de l'Armagnac couvre un éventail de technologies solaires émergentes, y compris un four dans lequel "l'acier fond et s'égoutte comme de la cire à cacheter sur une flamme" ; le photovoltaïque, dont le rendement électrique était si misérable en 1954 qu'un sceptique a déclaré :« Les scientifiques doivent mieux comprendre la matière et l'énergie avant de pouvoir compter recharger nos batteries automobiles à partir de générateurs thermoélectriques ou photoélectriques sur le toit du garage »; la photosynthèse, utilisée pour cultiver une culture vivrière d'algues unicellulaires à haut rendement, dont l'Armagnac ne mâche pas ses mots, "si notre palais n'est pas assez progressif pour s'imaginer une cuisine aussi ultramoderne, nous pouvons en donner au bétail ou à la volaille, et être récompensé par des steaks ou des fricassées à l'ancienne ; » et enfin, la lumière du soleil dans une bouteille, ou la capture des rayons dans des tubes à essai pour exploiter ses caractéristiques catalytiques :« La lumière du soleil est connue pour produire diverses réactions chimiques », écrivait Armagnac, « comme lorsqu'elle transforme un film vierge en un portrait de tante Ella. .” Je suppose qu'il n'était pas fan de boire de la lumière UV pour guérir les maladies.
Un enfer créé par l'homme teste des matériaux pour les moteurs à réaction et de fusée et montre une façon de capter l'énergie solaire gratuite.
Au sommet d'une montagne de 6 000 pieds près de San Diego, en Californie, ils exploitent le soleil pour aider à construire des avions.
Un four solaire nouvellement installé concentre les rayons du soleil, avec un miroir de 10 pieds de diamètre en aluminium poli, sur un point plus petit qu'un centime. Elle dépasse de loin la température du chalumeau d'essai hoc ou du four électrique.
Les chercheurs de la Consolidated Vultee Aircraft Corporation appliquent la formidable chaleur du four solaire aux matériaux testés pour les moteurs à réaction et de fusée et pour les missiles guidés. Le but de leurs expériences est de développer des substances plus résistantes à la chaleur et aux chocs thermiques que toutes celles connues à ce jour - des substances qui ne se ramolliront pas et ne couleront pas, par exemple, lorsqu'un missile à longue portée hurle vers la terre depuis des altitudes vertigineuses.
Que les possibilités soient prometteuses est démontré par la découverte récente de deux super-réfractaires, le carbure d'hafnium et le carbure de tantale, avec des points de fusion incroyablement élevés - 7 530 et 7 020 degrés F., respectivement. Le premier ressemble au dossier de toute substance connue. À titre de comparaison, le fer fond à seulement 2 800 degrés et le tungstène est en tête de liste des métaux à 6 100 degrés; tandis que le graphite, longtemps le matériau suprême résistant à la chaleur, se transforme de solide en vapeur à environ 6 600 degrés.
Le four solaire des expérimentateurs californiens, essentiellement un énorme verre brûlant, offre le moyen le plus pratique d'explorer ce nouveau domaine à température extrême. Lorsque les conditions du ciel sont idéales, il produit un maximum estimé de 8 500 degrés F. Au foyer du grand miroir, cette chaleur est concentrée en un point de 5/16 de pouce de diamètre.
Son intensité brûle facilement un trou dans une brique réfractaire. L'acier fond et s'égoutte comme de la cire à cacheter au-dessus d'une flamme, lorsqu'une tige est tenue avec sa pointe au point focal. Un pare-soleil cylindrique mobile contrôle la température de milliers de degrés à un degré ou deux près, un triomphe de précision. Équipé d'un entraînement astronomique, le grand miroir tourne automatiquement pour suivre le soleil, permettant des expériences d'une durée d'heures.
Mieux encore, des échantillons purs de matériaux peuvent être soumis à la chaleur brûlante sans contamination par des substances étrangères, comme le carbone dans les fours électriques. Et il n'y a pas de champs électriques et magnétiques, ni de fumées, pour perturber les réactions ou entraver l'observation spectroscopique.
En allant travailler pour l'industrie, le four solaire a troqué la robe d'académicien contre la salopette. Car ses avantages n'ont longtemps été appréciés que par les savants de la science pure. Lavoisier et d'autres grands chimistes du passé fondaient les métaux avec des fours solaires, qui comblaient en taille ce que leurs lentilles ou miroirs manquaient de perfection optique. Puis l'idée semble avoir été oubliée, jusqu'à ces dernières années.
À l'étranger, les expériences françaises qui ont commencé il y a quelques années avec un miroir de projecteur de 78 pouces (PSM août '50. p. 122) ont maintenant abouti à ce qui est probablement le plus grand four solaire du monde. Utilisant un miroir composite de 12 mètres de diamètre, une mosaïque de petits carreaux de verre, cette installation semi-industrielle des Pyrénées a été mise en service en 1952.
Dans ce pays, la première utilisation pratique d'un four solaire semble remonter un peu plus tôt, à un projet méconnu de la Seconde Guerre mondiale. Un four solaire de 120 pouces a été construit pour la division AC Spark Plug de General Motors à Flint, Michigan, avec la coopération de l'Aluminium Company of America. À l'origine, 16 secteurs réfléchissants en tôle d'aluminium d'un quart de pouce lui donnaient un point chaud de la taille d'une soucoupe pouvant atteindre une température de 2 000 degrés et un diamètre de cinq pouces. Après la guerre, lorsqu'il est devenu excédentaire, il a été transféré au Rockhurst College de Kansas City, dans le Missouri, et utilisé dans des études scientifiques par son concepteur, le Dr Willi Conn. Ayant remodelé le miroir pour obtenir un point chaud plus petit et des températures beaucoup plus élevées , il a perfectionné la technique de contrôle et de mesure de la chaleur extrême avec précision.
Il s'agit du four solaire que Consolidated Vultee a maintenant acheté, modifié pour l'adapter à ses nouvelles tâches et mis au travail. Incidemment, déplacer la fournaise vers le sud en latitude de Kansas City à San Diego a nécessité un nouveau support pour le grand miroir - il tourne dans son anneau de cardan, comme un télescope astronomique, sur un "axe polaire" parallèle à celui sur lequel tourne la terre.
Pour les scientifiques qui se tournent vers l'avenir, les fours solaires n'illustrent qu'une des nombreuses façons d'exploiter le soleil. Le fait alléchant est qu'une pleine puissance d'énergie solaire, gratuite à prendre, tombe à midi sur chaque mètre carré de la terre. Les progrès réalisés par les expérimentateurs pour le capturer ont été récemment passés en revue par le Dr George R. Harrison, doyen de la MIT School of Science.
Les appareils utilisant directement la chaleur du soleil, comme le four solaire, représentent l'approche la plus simple et la plus aboutie à ce jour. L'Inde a mis au point un cuiseur solaire; qu'une agence gouvernementale vend maintenant pour 14 $, en utilisant un miroir circulaire d'une superficie d'un mètre carré. Les alambics solaires sur les radeaux de sauvetage produisent de l'eau potable à partir de l'eau de mer. Les maisons solaires expérimentales, chauffées majoritairement ou entièrement par le soleil, sont prometteuses et paraîtront beaucoup plus intéressantes si l'investissement nécessaire, encore plus élevé que pour une centrale de chauffage ordinaire, peut être réduit. Pour chauffer les maisons et l'eau chaude, les miroirs ou les lentilles ne sont pas nécessaires. Des températures allant jusqu'à 400 degrés F. peuvent être obtenues dans des collecteurs plats, essentiellement des boîtes recouvertes de verre doublées de métal peint en noir, à travers lesquelles l'eau ou l'air circule pour être chauffé. Les machines à vapeur peuvent fonctionner à l'énergie solaire, comme l'a démontré le Dr Charles G. Abbot de la Smithsonian Institution dans ses expériences pionnières. Jusqu'à présent, cependant, c'est un moyen coûteux - une chaudière Abbot avec un miroir suffisamment grand pour produire deux chevaux coûterait probablement environ 1 000 $. Les moteurs thermiques qui pourraient fonctionner efficacement à des températures plus basses que les types conventionnels, en se dispensant du coût et des complications des rétroviseurs, seraient une autre histoire. C'est quelque chose sur quoi les inventeurs doivent travailler.
Un «moteur solaire» miniature exposé il n'y a pas si longtemps par Charles F. Kettering, as de la recherche chez General Motors, démontre la possibilité future de transformer le soleil en électricité. Un courant suffisant pour le faire tourner est généré lorsqu'une flamme de bougie chauffe un tube hérissé de fils torsadés, ou lorsque le faisceau d'une lampe est dirigé sur un banc de cellules photovoltaïques.
Tordez ensemble les extrémités des morceaux de fil de cuivre et d'argent, chauffez l'une des deux jonctions et le courant sera généré. C'est l'effet qu'un thermocouple applique pour faire fonctionner le compteur indicateur de température d'un pyromètre électrique. La tension et le courant peuvent être multipliés à des chiffres substantiels, en connectant de nombreux thermocouples et en chauffant un ensemble de jonctions. Il est donc facile, en imagination, d'imaginer une centrale solaire où des hectares de thermocouples transforment les rayons du soleil en kilowatts gratuits. Le hic, c'est leur efficacité notoirement faible en tant que convertisseurs d'énergie, bien que les alliages de thermocouples améliorés aient récemment considérablement augmenté le chiffre.
Contrairement aux cellules photoélectriques qui contrôlent simplement le courant provenant d'une source externe, les cellules photovoltaïques génèrent en fait du courant lorsque la lumière tombe sur elles. Les posemètres des ventilateurs de caméra utilisent des cellules photovoltaïques, tandis qu'une cellule au sélénium ou à l'oxyde de cuivre de ce type peut convertir jusqu'à 12 % de la lumière de certaines longueurs d'onde en électricité, son faible rendement global se compare à celui d'un thermocouple. Finalement, le chiffre pourrait être amélioré, mais, comme le commente ironiquement le Dr Harrison, "les scientifiques doivent mieux comprendre la matière et l'énergie avant de pouvoir compter sur la recharge de nos batteries automobiles à partir de générateurs thermoélectriques ou photoélectriques sur le toit du garage."
Il reste la voie chimique pour exploiter l'énergie solaire - essayée et prouvée par la nature, bien avant que l'homme ne vienne s'interroger sur le problème. Tout sauf cinq pour cent de l'énergie que nous utilisons, y compris le charbon que nous brûlons et la nourriture que nous mangeons, a été stockée à un moment donné par la photosynthèse dans les plantes, qui l'ont captée du soleil. Pouvons-Nous faire mieux que planter du blé, ou du maïs, ou de la canne à sucre, dans les fermes et les plantations, et laisser la nature suivre son cours ? Certains le pensent.
C'était peut-être un aperçu de l'avenir lorsqu'une récolte composée de 100 livres de plantes microscopiques séchées a été récoltée à Cambridge. Mass., il n'y a pas si longtemps, pour la Carnegie Institution de Washington.
Le produit étrange consistait en des myriades d'algues unicellulaires d'un type appelé Chlorella. Ils avaient été cultivés dans de l'eau contenant des sels appropriés, circulant avec du gaz carbonique dans un tube en plastique, tandis que le soleil pénétrait à travers les parois du tube.
Les experts prédisent que le rendement d'un acre de nourriture pourrait être multiplié par plusieurs en cultivant de la Chlorella dans des réservoirs, au lieu de planter du tout le sol. Le produit séché ou surgelé, assure-t-on, forme une pâte nourrissante au "délicat parfum d'herbe". Et si notre palais n'est pas assez progressiste pour aimer une telle cuisine ultramoderne, nous pouvons en donner au bétail ou à la volaille, et être récompensé par des steaks ou des fricassées à l'ancienne en abondance.
Enfin, les chimistes parlent de contourner entièrement les processus biologiques et de capturer le soleil directement dans des flacons et des tubes à essai ! La lumière du soleil est connue pour produire diverses réactions chimiques, comme lorsqu'elle transforme un film vierge en un portrait de tante Ella. Plus prometteuse pour fournir des quantités utiles d'énergie est une réaction photochimique présentée par des sels de cérium dissous dans l'eau, sur laquelle le professeur Lawrence J. Heidt du MIT a étudié.
Les ions des sels de cérium peuvent prendre deux formes, appelées céreuses et cériques. Lorsque la lumière du soleil agit sur la solution, elle passe d'une forme à l'autre, puis revient. Cela pourrait sembler n'amener personne nulle part. Mais, dans le processus, une partie de l'eau se décompose en hydrogène et oxygène élémentaires. Le résultat global est que, les sels de cérium jouant le rôle de catalyseur, la lumière du soleil décompose l'eau en gaz qui peuvent être brûlés comme carburant.
On est encore loin d'avoir dessiné les plans d'une usine à gaz solaire. Un pour cent serait une estimation généreuse de l'efficacité de cette réaction dans la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique. Mais c'est une percée sur un nouveau front, une autre approche prometteuse à explorer pour les futurs expérimentateurs.
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