Sciences, technologies et société

Michel Wautelet et Damien Duvivier

Avec la collaboration de Pierre ozer

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Sciences, technologieset sociétéGuide pratique en 250 questions

9:HSMIKE=VUY\^ZISBN : 978-2-8041-0479-5

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Nous vivons incontestablement dans une société où les sciences et lestechnologies jouent un rôle essentiel. Il est donc nécessaire que chacunpuisse se faire une idée, personnelle, mais justifiée. Mais, entre le spé-

cialiste, le technicien et le citoyen, une étape est généralement manquante :on trouve peu de données utiles. C’est le point de départ de cet ouvrage :associer des connaissances suffisantes de notions fondamentales desciences à des données techniques afin d’en savoir plus sur une technologiedonnée ou un problème scientifique complexe.

C’est donc au travers de 250 questions et réponses que le lecteur pourraappréhender des thématiques aussi diverses que le bâtiment, l’informatique,les énergies ou encore les transports. Ce livre s’adresse à plusieurs catégo-ries de lecteurs. Tout d’abord, aux enseignants, qui trouveront des donnéesnumériques, des formules de base pour illustrer leur cours de sciences. Lavolonté de cet ouvrage est de démontrer qu’il est possible d’appréhenderdes problèmes de société majeurs, à partir de notions scientifiques vues dansle secondaire. N’est-ce pas une voie à suivre pour recréer une dynamiquenouvelle dans l’enseignement des sciences, et pour montrer aux enseignantset aux jeunes l’utilité des cours de sciences ? Ensuite, au citoyen désireuxde se faire une opinion sur certains thèmes à caractère technoscientifique.Au curieux aussi, qui veut savoir sur quoi reposent différentes technologies,quels sont leurs liens et implications avec la société.

La plupart des réponses aux 250 questions qui suivent sont donc accessiblesau plus grand nombre, ce qui fait de cet ouvrage un guide pratique à l’usagede tous !

Sciences,technologieset sociétéGuide pratique en 250 questions

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ENSEIGNEMENTSECONDAIRECette édition contient des illustrations

originales de

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tABle des MAtIères 269 269

table des matières

Avant-propos à la 3e édition 5

Introduction

1. Quels sont les liens entre les sciences, les technologies et la société ? 10

2. Quelles sont les catégories principales de problèmes scientifiques vis-à-vis de leurs implications pour la société ? 10

3. Comment les scientifiques réagissent-ils par rapport à la place de la science dans la société ? 12

4. Quels sont les liens entre sciences fondamentales, sciences appliquées et technologies ? 14

Chapitre 1 Les énergies

Introduction5. Pourquoi l’énergie est-elle nécessaire dans notre civilisa-

tion occidentale ? 186. Quelles sont les principales questions qui se posent

à notre société concernant le problème de l’énergie ? 197. Quels sont les principaux types d’énergie disponibles ? 218. Quelles sont les principales utilisations actuelles

des énergies ? 229. Quelles seront les parts des différents types d’énergie

vers 2050 ? 23

Les énergies fossiles10. Quelle quantité de carbone y a-t-il sur Terre ? 2511. Que sont les réserves d’énergies fossiles ? 2612. Quelles sont les réserves estimées d’énergies fossiles ? 2713. Qu’est-ce que le « pic du pétrole » ? 27

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270 tABle des MAtIères

L’énergie solaire14. Quelle est la quantité d’énergie fournie par le Soleil

au niveau de la Terre ? 2915. Qu’est-ce qui régit le rendement des transformations

d’énergie ? 3016. Quels sont les rendements des diverses transformations

d’énergie ? 31

L’énergie photovoltaïque17. Quel est le principe de fonctionnement des cellules

photovoltaïques ? 3318. Quel est le rendement de transformation d’énergie lumi-

neuse en énergie électrique des cellules photovoltaïques ? 3519. En Europe, quelle aire de cellules photovoltaïques serait-

elle nécessaire pour fournir une puissance électrique moyenne de 1 kW ? 37

20. Quelle serait l’aire du parc de cellules photovoltaïques nécessaire pour alimenter l’Union européenne en électri-cité par cette seule énergie ? 37

21. Le photovoltaïque est-il plus utile dans les pays en voie de développement qu’en Europe ? 38

22. Quels sont les problèmes du développement de l’énergie photovoltaïque ? 38

23. Quelle est la quantité actuelle d’énergie fournie par l’énergie photovoltaïque ? 39

L’énergie solaire thermique24. Quel est le principe de fonctionnement du chauffe-eau

solaire ? 4025. Dans nos régions, combien d’énergie peut-on espérer

récupérer par an par m2 de panneau solaire ? 4126. Dans le nord de la France et en Belgique, quelle aire

de panneaux solaires est-elle nécessaire pour fournir l’énergie de la moitié de l’eau chaude sanitaire d’une famille ? 42

L’énergie éolienne27. Qu’est-ce que l’énergie éolienne ? 43

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28. Quel est le principe des éoliennes ? 4329. Quelles sont les quantités d’énergie éolienne disponibles ? 4530. Quels sont les avantages de l’énergie éolienne ? 4731. Comment peut-on évaluer la puissance fournie par une

éolienne ? 4832. Quelle est la puissance réellement fournie par une éolienne ? 49

L’énergie hydroélectrique33. Quel est le principe de fonctionnement des centrales

hydroélectriques ? 5034. Quel est l’état actuel du développement de l’énergie

hydroélectrique ? 51

La biomasse35. Qu’est-ce que la biomasse ? 5436. Quelles sont les possibilités de la biomasse ? 5537. Quelle superficie faudrait-il pour satisfaire les besoins

énergétiques de l’Union européenne par la biomasse ? 5638. Qu’entend-on par biocarburants de première, deuxième

et troisième générations ? 5739. Combien de litres de biocarburants sont-ils produits

par ha de culture ? 5840. Quels sont les problèmes liés à la valorisation énergé-

tique de la biomasse ? 59

L’énergie de fission nucléaire41. Comment appréhender la question nucléaire ? 6142. Quel est le principe de la fission nucléaire ? 6243. De quoi est constitué un réacteur nucléaire ? 6344. Quel est le rendement énergétique d’une centrale nucléaire ? 6445. Quel est le bilan énergétique et nucléaire d’une centrale

nucléaire ? 6446. Qu’est-ce que le MOX ? 6547. Quelles sont les catégories de déchets nucléaires ? 6548. Qu’est-ce que le cycle du combustible nucléaire ? 6649. Quelles sont les solutions possibles pour se débarrasser

des déchets nucléaires de haute activité ? 6850. Quels sont les risques d’accidents nucléaires ? 68

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51. Quels sont les liens entre le nucléaire civil et le nucléaire militaire ? 69

52. Combien d’éoliennes, de cellules photovoltaïques sont-elles nécessaires pour fournir la même quantité d’électri-cité qu’une centrale nucléaire de 1 GW ? 70

L’énergie de fusion nucléaire53. Qu’est-ce que l’énergie thermonucléaire ou de fusion

nucléaire ? 7154. Quelles sont les conditions requises pour obtenir la fusion

nucléaire contrôlée ? 7255. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement inertiel ? 7456. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement

magnétique ? 7557. Quels sont les principaux obstacles à la réalisation

de réacteurs de fusion nucléaire ? 75

Utilisation rationnelle de l’énergie58. En quoi consiste l’utilisation rationnelle de l’énergie ? 7959. Quelles sont les possibilités de l’utilisation rationnelle de

l’énergie ? 80

Stockage de l’énergie60. Quels sont les moyens de stockage d’énergie ? 8261. Quels sont les types de stockage thermique de l’énergie ? 8262. En quoi consiste le stockage par chaleur sensible ? 8263. En quoi consiste le stockage par chaleur latente ? 8364. En quoi consiste le stockage chimique ? 8465. Quelles sont les possibilités du stockage électrique ? 8566. Quelle quantité d’énergie peut-on stocker

dans une batterie au plomb ? 85

Les risques technologiques67. Quels sont les risques des sources d’énergie ? 8768. Comment comparer les risques liés à diverses sources

d’énergie ? 88

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69. Le fait d’inclure les catastrophes nucléaires modifie-t-il le classement des risques des différentes centrales éner-gétiques ? 92

Énergie et environnement70. Quel est l’effet direct de la production énergétique

de l’humanité sur le réchauffement climatique ? 9371. Quelle énergie est-elle nécessaire à la fabrication

de divers éléments de notre vie quotidienne ? 94

Émission, piégeage et stockage du CO2

72. Quelles sont les principales sources de CO2 dues à l’acti-vité humaine dans le monde ? 95

73. Quelle est la quantité de CO2 émise par seconde par une centrale thermique électrique (TGV) de Pel = 300 MW, dont on suppose que le rendement énergétique est de Rt = 40 % ? 96

74. Quelles sont les méthodes de piégeage du CO2 ? 9775. Quelles sont les méthodes de stockage du CO2 ? 9776. Quelle est la masse de CaCO3 ou de MgCO3 solides à

évacuer par an d’une centrale thermique de 300 MW ? Combien de camions (charge utile de 40 t) seraient-ils nécessaires ? 99

77. D’après différents scénarios, le potentiel de piégeage de CO2 est estimé à 9-12 % des émissions mondiales en 2020. En supposant que les émissions seront alors de 15 Gt par an, quels seront les volumes correspondants de CO2 gazeux (conditions standard) ou stockés sous forme de MgCO3 ? 99

Chapitre 2 Le transport

Introduction78. Quels sont les problèmes liés à l’énergie de la voiture

et des transports ? 102

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Énergétique de la voiture à moteur à combustion79. Quelle énergie est fournie par la combustion d’un litre

d’essence ? 10380. Quelle est la quantité de CO2 émise par une voiture

à essence ou au diesel ? 10381. Quelle énergie dépense une automobile moyenne

pour parcourir cent kilomètres ? 10482. Quelle est la puissance dissipée par une voiture roulant

à vitesse constante sur une route horizontale ? 10483. Comment varie la puissance dissipée par une voiture

roulant à vitesse constante, en fonction de l’inclinaison de la route ? 105

84. La puissance nominale des voitures est beaucoup plus importante que ce qui serait nécessaire pour atteindre les vitesses maximales permises sur autoroutes. À quoi sert cette puissance supplémentaire ? 106

85. Quel est le rendement énergétique d’une voiture moyenne à moteur à essence roulant à 90 km/h ? Et à 120 km/h ? 107

Les biocarburants86. Quelle est la superficie cultivée nécessaire pour obtenir

1 000 litres de biocarburant liquide ? 10887. Si le parc automobile de l’Union européenne était

alimenté uniquement par des biocarburants, quelle serait la superficie de biomasse nécessaire ? 109

La voiture électrique88. Qu’est-ce qu’une voiture électrique ? 11089. Quels sont les types principaux de voitures électriques ? 11190. Quelle est l’énergie minimale dépensée par une voiture

électrique pour parcourir 100 km à une vitesse constante de 90 km/h ? 111

91. Les constructeurs de voitures électriques conçoivent que chaque propriétaire pourra recharger les batteries à domicile, via une simple prise de 230 V, 16 A. Dans ces conditions, combien de temps faudra-t-il pour recharger la voiture étudiée à la question 90, avec une autonomie de 100 km ? 112

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Les batteries92. Quels sont les types de batteries envisageables pour

alimenter une voiture électrique ? 11393. Comment fonctionne une batterie au plomb ? 11394. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable

par kilogramme de batterie au plomb ? 11495. Quelle serait la masse de batteries au plomb nécessaire

à une voiture électrique moyenne circulant à 90 km/h, avec une autonomie de 100 km ? 117

96. Comment fonctionne une batterie au nickel-cadmium ? 11897. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable

par kilogramme de batterie au nickel-cadmium ? 11898. Quelle serait la masse de batteries au nickel-cadmium

nécessaire à une voiture électrique moyenne circulant à 90 km/h, avec une autonomie de 100 km ? 120

99. Quelles sont les performances d’autres types de batteries ? 121

Les piles à combustible100. Qu’est-ce qu’une pile à combustible ? 122101. Quels sont les types de piles à combustible ? 123102. Quelle est la quantité d’énergie fournie par mole (et kilo-

gramme) d’hydrogène dans une pile à combustible ? 124103. Quel est le rendement thermodynamique des piles

à combustible ? 125104. Quelle serait la consommation d’hydrogène d’une voiture

électrique moyenne circulant à 90 km /h sur une distance de 100 km ? 126

105. En supposant que l’hydrogène soit stocké dans des bonbonnes, sous une pression p = 7 × 107 Pa, quel serait le volume d’hydrogène nécessaire pour une autonomie de 100 km dans les conditions précédentes (Valeur donnée par les constructeurs) ? 127

106. Quelles sont les autres méthodes envisagées pour le stockage de l’hydrogène dans les véhicules ? 128

107. Comment stocker l’hydrogène sous forme d’hydrure ? 128108. Comment peut-on produire de l’hydrogène par décom-

position de l’ammoniac ? 129

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109. En quoi consiste le stockage par adsorption sur des nanotubes de carbone ? 130

110. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthane ? 131

111. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthanol ? 132

112. Quelle est la quantité d’énergie électrique nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par électrolyse de l’eau ? 133

Les centrales électriques113. À quoi sont destinés les véhicules électriques ? 134114. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était

remplacé par des voitures électriques avec batteries, combien de centrales électriques seraient-elles néces-saires pour l’alimenter ? 134

115. En considérant le cycle total de l’énergie, la voiture élec-trique avec batteries est-elle plus ou moins énergivore que la voiture à essence ? 135

116. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, combien de centrales électriques seraient-elles néces-saires pour l’alimenter ? 136

117. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, combien d’éoliennes ou de cellules photovoltaïques seraient-elles nécessaires pour l’alimenter ? 137

118. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, quelle serait la consommation annuelle de gaz naturel néces-saire pour l’alimenter ? 137

119. Quelle est la situation actuelle et future des véhicules électriques ? 138

La voiture solaire120. La voiture solaire est-elle une solution réaliste ? 140

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Autres voitures121. Quelle est la puissance du compresseur domestique

devant fournir de l’air comprimé à une voiture à air comprimé, avec une autonomie de 100 km à 90 km/h, sachant que la compression prend 2 h ? 142

Énergétique de la construction automobile122. Quelle quantité d’énergie est-elle nécessaire

pour la fabrication d’une automobile moyenne ? 143123. Si une automobile avait une durée de vie moyenne de

cinq ans, de combien d’énergie aurait-on besoin, par an, pour fabriquer le parc automobile de l’Union européenne ? 144

124. Si l’énergie était fournie par des centrales électriques, combien de centrales seraient-elles nécessaires pour fabriquer le parc automobile de l’Union européenne ? 144

125. Si la durée de vie des automobiles doublait, comment varierait l’énergie nécessaire à la fabrication automobile de l’Union européenne ? 145

126. Si la durée de vie des automobiles doublait, comment varierait le nombre de centrales électriques nécessaires à la fabrication automobile de l’Union européenne ? 145

127. Sachant que, selon certaines estimations, un recyclage adéquat des matériaux permettrait d’économiser un tiers de l’énergie nécessaire à la fabrication des automobiles, combien de centrales électriques seraient-elles néces-saires pour l’Union européenne ? 146

Le train128. Quelle est la puissance nécessaire pour déplacer un TGV

à une vitesse de 300 km/h ? 147129. Quelle est l’énergie consommée par un TGV

pour parcourir 100 km ? 147130. Sachant qu’un Thalys peut transporter 377 passagers,

quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ? 148

131. En tenant compte de la chaîne énergétique, de l’énergie primaire au TGV, le TGV est-il plus ou moins énergi-vore (par passager) que la voiture ? 148

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L’avion132. Quelle est l’énergie dépensée par un Airbus A310

pour parcourir 100 km ? 150133. Sachant qu’un Airbus A310 peut transporter 246 passa-

gers, quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ? 150

134. En tenant compte de la chaîne énergétique, de l’énergie primaire à l’énergie consommée, l’avion est-il plus ou moins énergivore (par passager) que la voiture ? Et que le TGV ? 151

Les transports et l’environnement135. Quelle est la quantité de CO2 émise chaque année dans

l’atmosphère par les transports ? 152136. Quelle est la quantité de gaz à effet de serre (CO2) émise

lors du transport des aliments ? 152137. Quelle est l’émission de CO2 due au transport de hari-

cots du Kenya vers l’Europe ? 154138. Quelle est l’émission de CO2 due au transport

d’une pomme de Nouvelle Zélande vers l’Europe ? 154

Chapitre 3 Le bâtiment

Le chauffage139. Comment peut-on évaluer les caractéristiques ther-

miques d’un bâtiment ? 158140. Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation

rationnelle de l’énergie thermique d’un bâtiment en hiver ? 159141. Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation

rationnelle de l’énergie thermique d’un bâtiment en été ? 160142. Quel est le rôle du thermostat ? 160143. Quelles sont les sources de chaleur dans un bâtiment de

bureaux ? 161144. Quelle est la quantité de chaleur dégagée par un être

humain ? 162145. Quelles sont les sources de pertes de chaleur dans

un bâtiment ? 162

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146. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux lorsque la température exté-rieure varie ? 164

147. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux en fonction de son isolation thermique ? 164

148. En quoi le bilan thermique d’une maison familiale est-il différent de celui d’un immeuble de bureaux ? 165

149. En fonction de l’isolation thermique, comment varie la consommation d’énergie d’une maison familiale en hiver ? 166

150. Comment se comparent la consommation d’énergie, en hiver, d’une maison quatre façades et celle d’une maison deux façades ? 167

151. Combien d’énergie peut-on économiser lorsqu’on utilise l’énergie solaire entrant au travers des vitrages (effet de serre) si la maison est bien ou très bien isolée ? 168

152. En quoi la domotique est-elle utile pour effectuer des économies d’énergie ? 169

Vitrages isolants et colorés153. Quels sont les rôles du verre dans les habitations ? 170154. Quel est le principe d’action des verres à couches ? 171155. Quelles sont les caractéristiques lumineuses et énergé-

tiques des vitrages ? 174156. Qu’est-ce qui différencie un vitrage adapté au climat

chaud de celui adapté au climat froid ? 175157. Quel est le principe du verre à couches coloré ? 176

Sécurité et surveillance158. Quels sont les principaux types de détecteurs permettant

de repérer une présence dans l’obscurité ? 178159. Quelle est la nature du rayonnement émis naturellement

par le corps humain et son environnement ? 178160. Dans l’infrarouge, comment distinguer le corps humain

de son environnement ? 179161. Comment mesurer les pertes thermiques d’un bâtiment ? 180

Le four à micro-ondes162. Quel est le principe du four à micro-ondes ? 181

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163. Pourquoi y a-t-il des endroits plus froids que d’autres dans un plat chauffé dans un four à micro-ondes ? 182

164. Pourquoi un four à micro-ondes est-il plus « écologique » qu’un four traditionnel ? 183

Chapitre 4 Les technologies de l’information et de la communication

Les origines165. Quelles sont les origines des TIC ? 186166. Quels sont les éléments des systèmes d’information

et de communication ? 187167. De quoi sont matériellement constitués les systèmes

d’information et de communication ? 188

Les ordinateurs168. Qu’est-ce qu’un ordinateur ? 190169. De quoi sont constituées les machines intelligentes ? 190170. En quoi un ordinateur est-il une machine intelligente ? 191171. Quels sont les éléments d’un ordinateur ? 192172. Quelle est la consommation électrique d’un ordinateur ? 193

La vie des ordinateurs173. Comment fabrique-t-on un ordinateur ? 194174. Pourquoi la fabrication d’un ordinateur requiert-elle

de nombreuses étapes ? 194175. Quelle est l’évolution prévue de la taille minimum

des éléments des ordinateurs ? 196176. Comment parvient-on à dessiner les éléments d’un ordi-

nateur un grand nombre de fois ? 196177. Quels sont les principaux produits chimiques utilisés

pour la fabrication des puces électroniques ? 197178. Comment pourrait-on réduire la quantité de produits

chimiques nécessaires à la fabrication des puces électro-niques ? 197

179. Quelle est la quantité d’énergie nécessaire à la fabrica-tion d’un ordinateur ? 198

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180. Quelle est la composition moyenne d’un ordinateur et de ses accessoires ? 199

181. Pourquoi le recyclage d’un ordinateur est-il difficile ? 199182. Comment se comparent les bilans écologiques des ordi-

nateurs et des machines à écrire ? 200

Capacités de stockage183. Quel est le langage utilisé par les ordinateurs ? 201184. Que fait-on lorsqu’on appuie sur une touche du clavier

d’un ordinateur ? 201185. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on

besoin pour stocker une page de texte ? 202186. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on

besoin pour stocker une seconde de son ? 202187. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on

besoin pour stocker une image ? 202188. Qu’est-ce que la compression d’images ? 203189. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin

pour stocker un film commercial moyen ? 203190. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son

et de film peut-on stocker sur un CD-ROM ? 204191. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son

et de film peut-on stocker sur un DVD ? 204192. Qu’est-ce que la mémoire Flash ? 204193. Quelle est la capacité de stockage d’une clé USB

à mémoire Flash ? 205

Le réseau Internet194. Qu’est-ce que le réseau Internet ? 206195. Quelles sont les vitesses de transfert sur Internet ? 207196. Comment peut-on évaluer le temps de transfert

d’une page de texte par le réseau Internet ? 207197. Comment peut-on évaluer le temps de transfert

d’une seconde de son par le réseau Internet ? 207198. Comment peut-on évaluer le temps de transfert

d’une image par le réseau Internet ? 207199. Comment peut-on évaluer le temps de transfert

d’un document filmé par le réseau Internet ? 208

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200. Quels sont les moyens physiques utilisés pour trans-mettre l’information par le réseau Internet ? 208

Les fibres optiques

201. Quels sont les avantages des fibres optiques par rapport aux fils métalliques pour la transmission de l’information ? 209

202. Quel est le principe de la transmission de l’information par fibres optiques ? 209

203. Comment sont constituées les fibres optiques ? 210204. Quelles sont les catégories principales de fibres optiques ? 211205. Quelles sont les capacités de transfert des fibres optiques ? 212206. Comment pourrait-on transmettre plusieurs messages

simultanément dans une seule fibre optique ? 216

GSM et UMTS

207. Quel est le principe de fonctionnement des GSM ? 217208. Quel est le principe de fonctionnement de l’UMTS ? 218

Big Brother ?

209. Combien de bits sont-ils nécessaires pour identifier chaque être humain ? 219

210. Combien d’objets différents peut-on identifier grâce à un nombre de 8 octets = 64 bits ? 219

Le système GPS

211. Quel est le principe de fonctionnement du système GPS ? 221

Télécommunications et champs électriques

212. Quelle est la valeur du champ électrique à laquelle nous sommes exposés lorsque nous utilisons un GSM ? 224

213. Quel est le champ électrique auquel nous sommes soumis de la part du Soleil, sachant que, au niveau du sol, la densité de puissance maximale est de 1 000 W/m2 ? 225

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Chapitre 5 Micro- et nanosciences

Introduction214. Microsciences et nanosciences : science-fiction ? 228215. Comment reculer les limites de la miniaturisation ? 230216. Qu’entend-on par microtechnologies et nanotechnologies ? 231217. Pourquoi cherche-t-on à diminuer la taille des compo-

sants ? 231218. Quelles sont les différences majeures entre notre monde

et les domaines des micro- et nanosciences et nanotech-nologies ? 233

Les lois d’échelle219. Quelle est l’utilité des lois d’échelle ? 234220. Comment varient les différentes forces mécaniques

lorsque L varie ? 235221. Comment varient les énergies lorsque L varie ? 237222. Comment varient les fréquences de résonance

lorsque L varie ? 238223. Comment varient les tensions subies par les matériaux

solides lorsque L varie ? 238

Les fluides224. Comment varient les mouvements dans les fluides

lorsque L varie ? 239

Électromagnétisme225. Comment varient les grandeurs électriques


Thermodynamique226. Comment varient les grandeurs thermodynamiques


Optique227. Comment varient les paramètres optiques lorsque L varie ? 244

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Mécanique quantique228. Comment varient les grandeurs quantiques


Le monde de Microcosmos229. Quelles dimensions doivent avoir les pattes des petites

bêtes pour que celles-ci supportent leur propre poids ? 246230. Quelles sont les forces qui gouvernent l’adhésion

des petites bêtes sur le sol, les murs, le plafond ? 247231. Pourquoi les petites bêtes ne sont-elles pas des êtres

à sang chaud ? 248232. Pourquoi les yeux des petites bêtes sont-ils différents

des nôtres ? 248233. Pourquoi les petits animaux semblent-ils se déplacer

plus vite que les grands ? 249234. Les petits animaux entendent-ils les mêmes sons,

aux mêmes fréquences que les grands ? 250235. Pourquoi les petits animaux sautent-ils aussi haut ? 250236. Pourquoi de petits animaux arrivent-ils à pousser des

masses beaucoup plus importantes qu’eux-mêmes ? 252

Les microtechnologies237. En photolithographie, qu’est-ce qui détermine la taille

des éléments que l’on peut obtenir ? 253

La physique des microtechnologies238. Quelles sont les différences entre les machines ther-

miques classique et micrométrique ? 254239. Comment tourne un micromoteur électrique ? 255240. Comment varie le nombre de Reynolds dans les petites

canalisations ? 255241. Les micromachines sont-elles plus sensibles

que les macromachines ? 256

Les nanotechnologies242. Quelle serait la longueur d’un fil obtenu en mettant bout

à bout tous les atomes contenus dans un litre d’air ? 257

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243. En supposant que l’on peut écrire (avec des atomes) une lettre dans un carré de 10 atomes sur 10 atomes, combien de dictionnaires peut-on écrire sur 1 cm2 ? 257

244. Comment varie l’aire spécifique de cubes lorsque leur dimension diminue ? 257

245. Quelle est l’aire spécifique d’une poudre de carbone (d’une masse totale de 1 g), formée de nanoparticules sphériques de rayon r = 10 nm ? 258

246. Quel volume de gaz (azote) peut-on adsorber sur 1 g de la poudre de carbone de la question précédente ? 258

247. Combien d’atomes y-a-t-il aux sommets, sur les arêtes, les faces et à l’intérieur d’un cube ? 259

248. Comment varient les réactivités de poudres de nanopar-ticules cubiques en fonction du degré de découpage, n ? 259

249. Quelle est l’énergie requise pour placer un électron sur une nanoparticule ? 260

250. Comment se manifestent les effets quantiques ? 261

Pour en savoir plus 263

Remerciements 267

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AvAnt-propos 5

Avant-propos à la 3e édition

Une société technoscientifique en évolution

Nous vivons incontestablement dans une société où les sciences et les technologies jouent un rôle essentiel. Après la Seconde Guerre mondiale, notre société occidentale a découvert la puissance de la science et des technologies. S’en est suivie une époque d’euphorie scientifique dans les années 1960-1970 – les Golden sixties. Tout le monde était persuadé que les sciences représentaient le sommet du génie humain. Les sciences allaient permettre de résoudre tous les problèmes. La conquête de l’espace, l’avènement de l’électroménager, l’automobile pour tous, la télévision, le confort domestique, l’abon-dance de biens étaient des facteurs qui ne pouvaient que développer notre croyance dans la toute puissance des sciences et des techniques.

Puis, retour de manivelle, dans les années 1970-1980, les hommes découvrent la fragilité de ce nouveau monde. La crise pétrolière de 1973, les accidents de pétroliers, la chute de quelques avions porteurs de bombes nucléaires, la pollution de rivières et des villes, le réchauf-fement de l’atmosphère, la course effrénée aux armements entraînent un insidieux sentiment de catastrophisme. Tout cela est-il aussi sûr qu’on a voulu nous le faire croire ?

Au catastrophisme des années 1980 succède la mise en perspec-tive des problèmes dans la décennie 1990 avec, en prime, la fin de la Guerre froide et l’éloignement – mais pas la disparition – du spectre de la guerre nucléaire. Simultanément, on se rend compte que le développement anarchique ne peut se poursuivre indéfiniment. Et la préservation de l’environnement devient une préoccupation de toutes les générations. Il s’agit donc d’initier un système de « développe-ment durable », dans lequel tout le monde devra trouver son compte.

Le passage au nouveau millénaire voit le début de prises de déci-sion importantes pour la survie de l’humanité. Et il ne s’agit pas que de nous, les citoyens des sociétés développées. Mais de toute l’humanité. Il ne faut pas que les habitants des régions en voie de développement atteignent un niveau satisfaisant de développement en répétant nos erreurs. Mais comment faire ?

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6 AvAnt-propos

Un élément important de toute solution passera indubitablement par la prise en compte des aspects scientifiques et technologiques. On ne peut résoudre la question des énergies, de la pollution, etc. en oubliant ou négligeant les technosciences. Or, le monde est complexe, et les solutions le sont aussi.

De la nécessité d’évaluations de données technoscientifiques

Étant donné le nombre grandissant de questions cruciales, possé-dant un ou plusieurs aspects technoscientifiques, il est nécessaire que chacun puisse se faire une idée, personnelle, mais justifiée. Pour cela, des données numériques, des évaluations simples (mais non simplistes) sont nécessaires. À ce stade, on se retrouve souvent confronté à un dilemme : moi, non spécialiste, suis-je suffisamment informé pour me forger ma propre opinion, ou dois-je faire appel – et confiance – aux experts ? La réponse n’est pas évidente. Néanmoins, le point de départ de ce livre est que, moyennant des connaissances suffisantes de notions fondamentales de sciences – telles que vues dans l’enseignement secondaire – plus des données techniques, il est possible, dans de nombreux cas, de faire soi-même des calculs d’ordres de grandeur. Ceux-ci permettent, souvent, de faire la part des choses dans les discours de politiciens ou de décideurs, dans les articles généraux. Il s’agit d’une démarche citoyenne essentielle. Pour s’en convaincre, il suffit de lire quelques livres récents sur les projections de l’an 2050 1.

Un chaînon manquant

Entre le spécialiste, le technicien et le citoyen, une étape est généralement manquante. Lorsqu’on essaye d’en savoir plus sur une technologie donnée ou un problème scientifique complexe pour, à partir des principes scientifiques fondamentaux, essayer d’effectuer des calculs d’ordres de grandeur, on trouve peu de données utiles. Il est assez facile de trouver des articles ou ouvrages de vulgarisation. On trouve aussi, parfois, des données techniques pointues. Mais, entre les deux, il n’y a guère d’informations utiles. Ce fut la prin-

1 A. Nicolas, 2050. Rendez-vous à risques, Belin, Paris, 2004.M. Wautelet, Vivement 2050 ! Comment nous vivrons (peut-être) demain, L’Harmattan, Paris, 2007.

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AvAnt-propos 7

cipale difficulté de la rédaction de ce livre : la collecte de données numériques, le « décorticage » de technologies et de questions scien-tifiques. Trouver un chiffre nécessaire à une évaluation requiert parfois plusieurs heures de recherche. Si le présent ouvrage permet aux lecteurs de trouver des informations manquantes, un de nos objectifs serait atteint.

Un public multiple

Ce livre s’adresse à plusieurs catégories de lecteurs. D’abord, au citoyen désireux de se faire une opinion sur certains thèmes à carac-tère technoscientifique. Il trouvera ici de quoi nourrir sa réflexion. Au curieux aussi, qui veut savoir sur quoi reposent différentes tech-nologies, quels sont leurs liens et implications avec la société. Aux enseignants, qui trouveront des données numériques, des formules de base pour illustrer leur cours de sciences. Notre volonté est de démontrer qu’il est possible d’appréhender des problèmes de société majeurs, à partir de notions scientifiques vues dans le secondaire. N’est-ce pas une voie à suivre pour recréer une dynamique nouvelle dans l’enseignement des sciences, et pour montrer aux enseignants et aux jeunes l’utilité des cours de sciences ? Ce livre s’adresse aussi à tous ceux qui ont mission d’informer le public. Ils trouveront ici des données, des raisonnements utiles pour, selon leurs propres sources, réévaluer certains chiffres officiels, analyser certains discours tech-niques ou politiques à l’aide de faits scientifiques et techniques.

Des données qui évoluent et évolueront

Le présent ouvrage est basé sur notre intérêt, sur nos opinions également. Lorsque l’on traite de problèmes de société, même à caractères scientifique et technique, il ne faut pas perdre de vue que l’être humain est subjectif. Nous en sommes conscients. Il convient que le lecteur aussi le sache. Le but de l’ouvrage est, certes, de donner des chiffres utiles, mais surtout de montrer comment traiter diffé-rents problèmes. Les données numériques sont tirées d’ouvrages, d’articles, de sites Internet trop nombreux pour être tous cités. Mais les chiffres évoluent, le lecteur peut avoir des informations différentes de celles présentées ici. Le but du livre est que tout lecteur puisse, à partir de ses propres informations, refaire ses propres calculs pour se forger sa propre opinion.

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Des thèmes personnels

Bien entendu, les thèmes impliquant les sciences, les technologies et la société sont nombreux. Nous avons dû opérer une sélection en fonction des questions, nombreuses, que nous nous posons. C’est pourquoi, plutôt que de fournir un texte continu, nous avons préféré une suite de questions-réponses, aussi progressive que possible. D’autres questions sont possibles. Nous invitons le lecteur à nous les faire connaître. Ce livre n’est pas un texte fini, ni doctrinal. Il se veut honnête, le plus exact possible. Et lorsqu’il y a un doute ou matière à contestation des chiffres, cela est noté. Mais nous ne sommes pas omniscients. Bien entendu, pour rédiger l’ouvrage, des discussions, des échanges avec divers spécialistes ont eu lieu. Il ne faut pas perdre de vue que, ici, nous nous limitons à des problèmes simples. Nous nous intéressons à des questions du style « Yaka ». Restons cependant conscients que la solution pratique peut être – et est le plus souvent – complexe. Il est évident qu’il y a loin du principe de base à la réalisa-tion technique pratique.

Des pré-requis… facultatifs

Un livre comme celui-ci repose sur un certain nombre de connais-sances de base, que nous supposerons acquises. Pour en profiter plei-nement, le lecteur doit connaître, ou se rappeler, les notions fonda-mentales de sciences vues dans le secondaire. Pas de complexes, cependant. Moyennant un minimum d’efforts, le lecteur curieux pourra, nous le croyons, tirer profit de ce livre ! Il n’y a pas de formules mathématiques compliquées. À quelques rares exceptions près, il n’y a que des additions, soustractions, multiplications et divi-sions. De plus, il n’est pas nécessaire de comprendre chaque formule pour appréhender l’esprit de toutes les réponses faites aux problé-matiques abordées. La plupart des réponses aux 250 questions qui suivent sont donc accessibles au plus grand nombre, ce qui fait de cet ouvrage un guide pratique à l’usage de tous !

Michel WauteletDamien Duvivier

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Sciences, technologies et société

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