La Cryogénie : de la haute technologie à très basse température

Les découvertes scientifiques liées à la manipulation de très basses températures ont probablement inspiré M. Freeze, le super vilain de Batman. Figure de savant brillant devenu fou, son histoire tragique avait été ficelée en parallèle des espoirs pour les gens fondés en la cryogénie. Son épouse, atteinte d’une maladie grave, avait été gelée en attendant que la médecine progresse… Mais qu’en est-il hors du cadre de la fiction ? Peut-on ainsi ralentir le temps, ou accomplir d’autres prouesses en altérant la température d’un système mécanique ou organique ? Oui ! Mais avant que l’on crie au génie, attardons-nous sur ce qu’il en est véritablement de ces phénomènes physiques au soir de l’an de grâce 2022.

Définition : qu’est ce que la « cryogénie » ?

Le terme « cryogénie » a été formé à partir du grec ancien κρύος (krúos), qui signifie « froid » et du suffixe « -gène », à savoir « qui donne forme » ou « naissance ». Littéralement, la cryogénie désigne la production du froid. Passé la lexicographie d’usage, le terme sert à parler des propriétés et de l’utilisation des corps dont on a baissé la température. En effet, de nombreuses avancées ont pu advenir grâce aux changements d’état de la matière dont on retire de la chaleur.

L’on cherche donc des applications en atteignant des chiffres proches du zéro absolu (soit -273,15 °C). En pratique, on ne sait pas descendre aussi bas. Cela reviendrait à l’arrêt complet des molécules qui constituent la matière. En effet, l’énergie qui provoque l’agitation des atomes correspond stricto sensu à ce qu’on appelle « chaleur ». Ainsi, longtemps après avoir maîtrisé le feu, l’Homme liquéfie des gaz en les refroidissant.

Une brève histoire de la cryogénie

Cette révolution dans l’expertise de la matière aurait débuté à la fin du XVIIIe siècle, avec Martin van Marum. En effet, ce physicien néerlandais a su liquéfier l’ammoniac par compression. Ce n’est pas encore, à proprement parler, de la cryogénie. Néanmoins, c’est à partir de cette volonté de liquéfier de la matière gazeuse que des grandes lois en thermodynamique ont pu être ébauchées.

XIXe siècle et liquides cryogéniques 

En 1845, on cherche, encore en vain, à liquéfier l’oxygène, l’azote, le méthane, le monoxyde de carbone, le monoxyde d’azote et l’hydrogène. Autour de cette période, William Thomson, alias Lord Kelvin, note 0 K (Kelvin) le zéro absolu. Il faudra attendre Louis Paul Cailletet, en 1877 pour expérimenter la « détente adiabique », consistant à ralentir l’agitation thermique d’un gaz en baissant la pression. Aussi rend-il l’oxygène liquide à 90 K (soit -183,15°), mais également l’azote à 77 K.  Toujours en exploitant la loi des gaz parfaits, qui met en étroite relation la température, la pression et le volume d’un corps gazeux, le physicien suisse Raoul-Pierre Pictet se prend à liquéfier du nitrogène. 

Le problème avec l’hydrogène refroidi et liquéfié

C’est en 1898 qu’un dénommé James DeWar a descendu de l’hydrogène à 20 K (-253,1 degrés) pour le mettre à l’état liquide. Cependant, il se trouve qu’à 20K, cet élément chimique entre également en ébullition. Il a donc fallu résoudre le casse-tête consistant à stocker et à manier de l’hydrogène qui bout. Ce sont des vases DeWar, conçus exprès en double couche de métal ou de verre, qui ont permis aux scientifiques de réaliser une telle gageure. 

XXe siècle : métaux cryogéniques et champ magnétique

En 1908, Heike Kamerling Onnes fait passer un autre gaz à l’état liquide en le refroidissant jusqu’à 3,2 K : il s’agissait de l’hélium. En 1911, son équipe s’intéresse aux métaux, et comprend que le mercure devient supraconducteur (le courant électrique y passe formidablement bien et peut expulser un champ magnétique au point de faire léviter des objets) à 4,2 K. Dès lors, on se met à chercher des matériaux supraconductibles à des chaleurs plus élevées. Les découvertes contemporaines de J. Gregore Bednorz et K. Alex Muller nous renseignent sur l’oxyde de lanthane, le baryum et le cuivre, lesquels deviennent supraconducteurs à 30 K.

En 1987, les universitaires de Houston et d’Alabama découvrent un composé chimique supraconductible à 95 K. Aujourd’hui, le record issu des études de la supraconductivité est détenu par un alliage de thallium, de baryum, de calcium, de cuivre et d’oxygène, dont la température critique est de 125 K. Quant au zéro absolu, il a été approché de près sans avoir été observé pour de bon, même à travers l’espace intersidéral tel qu’on le connaît aujourd’hui…

Deux phénomènes physiques liés à la cryogénie

Les découvertes et les avancées scientifiques s’entremêlent en permanence ; la résolution d’une énigme en pose deux ou trois autres. Certaines questions trouvent des réponses dans des branches annexes de la science. En ce sens, voici ce à quoi a pu mener la cryogénisation.

La supraconductivité des matériaux grâce au froid extrême

Nous l’avons un peu évoqué plus haut : les très basses températures influent sur la résistance électrique de la matière. La résistivité électrique, c’est « l’aptitude d’un matériau conducteur à s’opposer au passage d’un courant électrique sous une tension électrique donnée ».

En résumé, l’étude de la supraconductivité le courant passe plus ou moins bien dans un corps en fonction de s’il est chauffé ou refroidi. On appelle température critique (notée « Tc ») le degré de chaleur où la résistance électrique d’un matériau devient nulle. L’absence de résistance électrique peut aboutir à des phénomènes étonnants, comme l’expulsion d’un champ magnétique faisant léviter les corps étudiés.

Cryogénisation et superfluidité des liquides

Toujours dans les super pouvoirs de la matière, après les champs magnétiques, la superfluidité a été observée à l’occasion de refroidissements extrêmes. La fluidité d’un corps dépend de son degré de viscosité. On qualifie de « visqueux » un liquide qui résiste au mouvement d’écoulement et connaît une dissipation d’énergie. On parlera de superfluidité pour un liquide qui, au contraire, n’oppose aucune résistance à l’effet d’écoulement (il passe dans le moindre interstice, s’échappe petit à petit de son récipient, si ce dernier n’a pas de couvercle).

Ainsi, lorsqu’ils sont en boucle fermée, les superfluides se mettent à couler indéfiniment et sans frottements. On a l’habitude d’observer ce phénomène sur l’hélium liquide. Par ailleurs, il semblerait que les physiciens aient bien plus de mal à appréhender la compréhension des superfluides que la supraconductivité des matériaux cryogénisés.

Quelles sont les applications concrètes de la cryogénie ?

Il en existe des tas ! Nous avons donc tenté de classer ses diverses applications que nous avons trouvées en distinguant l’effet du refroidissement sur les systèmes organiques de la cryogénisation de la matière non-vivante.

Avantages mécaniques de la cryogénie sur divers matériaux

Par « mécaniques » nous entendons tous les phénomènes cryogéniques dont nous tirons aujourd’hui profit pour améliorer des technologies déjà existantes.

Cryogénie appliquée à l’électronique

Nous l’avons vu, cryogéniser des matériaux peut annihiler leur résistance électrique. Ils deviennent ainsi des supraconducteurs. Par conséquent, les applications de l’étude de la supraconductivité sont étonnantes, comme les électro-aimants compacts et économiques servant aux accélérateurs de particules.

À ce titre, le grand collisionneur de hadrons, situé à la frontière entre la France et la Suisse, a pu confirmer, grâce à ces aimants, l’existence du boson de Higgs. Rien que ça ! Plus fort encore, la supraconduction peut permettre de stocker l’énergie nécessaire à la fusion thermonucléaire contrôlée. En matière de création d’énergie, c’est beaucoup plus puissant que la fission atomique !

Combustibles cryogéniques pour la conquête spatiale

Très récemment, les Chinois ont commencé le remplissage de la fusée Longue Marche-5. Elle sera propulsée au moyen d’un propergol cryogénique, composé d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide. Le propergol est un système chimique destiné à produire un mélange gazeux qui, lorsqu’il est expulsé, provoque une poussée très puissante, capable de faire sortir un corps très lourd de l’atmosphère. Les propergols cryogéniques sont souvent composés l’hydrogène liquide. Cependant, cette substance s’évapore très vite une fois stockée. Elle ne peut donc être utilisée qu’au cours d’un décollage depuis la surface de la Terre.

Stockage cryogénique et transport de gaz

Il existe aujourd’hui des réservoirs cryogéniques, autrement appelés cryotanks. Ils servent principalement à transporter des gaz liquéfiés et conservés à température extrêmement basse. L’intérêt de les refroidir ? Cela réduit considérablement leur volume, ce qui permet d’en déplacer bien davantage en une seule fois ! De cette manière, il se pourrait que l’on s’oriente de plus en plus vers des sources d’énergie gazeuses, et plus particulièrement celles qui respectent l’environnement. À ce sujet d’ailleurs, le laboratoire R&D d’Engie vient de développer un système de stockage cryogénique tampon, lequel permettrait de transformer très facilement le biométhane en flux de gaz bioGNL. Sommes-nous définitivement en bonne voie pour l’énergie verte ?

Nettoyage cryogénique : efficace et économique

C’est un procédé simple qui fait largement ses preuves un peu partout. On utilise de la glace carbonique projetée avec de l’air comprimé. Ce puissant flux de gaz décolle les salissures d’une surface. Le dioxyde de carbone solide est doux comme de la craie et n’entame pas les parois que vous traitez. En outre, il se trouve que l’écart de température provoque un choc thermique qui joue sur l’efficacité d’un tel procédé.

Plus la surface à nettoyer est chaude, moins il y a besoin d’insister. La sublimation (passage de l’état solide à l’état gazeux) forme de micro-explosions qui désagrège la saleté sans laisser de résidus secondaires. 

Cryobiologie et autres effets du froid dans le domaine du vivant

La cryobiologie consiste en l’étude des organismes soumis à de très basses températures. Il peut s’agir de simplement s’interroger sur comment les êtres vivants s’acclimatent au froid extrême (microorganismes, végétaux, vertébrés, invertébrés etc.). D’autre part, on s’intéresse beaucoup aux vertus des basses températures pour l’être humain : conserver des organes, des tissus cellulaires et même des embryons pour la fécondation in vitro. Certaines études sortent résolument de l’ordinaire, comme la surfusion appliquée à des systèmes biologiques (on dit d’une matière qu’elle est en surfusion lorsqu’elle demeure à l’état liquide alors que sa température a franchi son point de solidification).  Voyons dès à présent quelques usages du même genre usages du même genre appliqués à l’imagerie médicale actuelle.

Cryogénie alimentaire et pharmaceutique : conservation par azote liquide et CO2 liquide

Même si la cryogénie alimentaire s’emploie sur de la matière morte, il s’agit tout de même de systèmes organiques, par ailleurs animés par un processus de décomposition. L’objectif est de conserver les aliments, notamment au moyen de deux gaz, qui sont le dioxyde de carbone et l’azote liquide. L’on s’en sert, par exemple, pour respecter la chaîne du froid lorsque l’on transporte des produits. On refroidit également des produits saisonniers grâce à des sortes de neiges carboniques. Quant aux produits emballés, on les asperge d’azote liquide pour en retirer la chaleur profondément et rapidement. Une entreprise spécialisée dans cette pratique est connue sous le nom de Air Liquide. Outre l’alimentaire, on mentionnera la cryogénie employée à la lyophilisation des produits pharmaceutiques. Toutes les complications liées à la conservation de substances ne sont donc plus un problème en cryogénie alimentaire et pharmaceutique.

La cryogénie médicale ou comment traiter localement par le froid des cellules cancéreuses

On parlait de nettoyage cryogénique un peu plus haut… dans l’esprit, la cryochirurgie revient au même, dans le sens où c’est avec un flux de gaz liquéfié que l’on se débarrasse d’un corps indésirable, en congelant ses cellules à jusqu’à -60°C. Dans le cadre médical, l’on se sépare ainsi de certains tissus, tumeurs. On soigne surtout les affections cutanées, bénignes (l’azote pour les verrues, par exemple) ou malignes. La congélation des cellules provoque un déchirement qui permet une extraction sans dommages ! Les cancers du sein inopérables, par exemple, peuvent nécessiter le recours à cette technique médicale émergente.

Soin cryogénique via cryothérapie : quels bienfaits du froid sur le corps humain ?

L’on a vu émerger assez récemment des tentatives de cryothérapie. L’on espère, par une exposition générale du corps à une température très faible, observer des vertus régénérantes.

À ce titre, les cryospas et cryosaunas accueillent toute sorte de cobayes, y compris des sportifs, pour essayer de stimuler leur métabolisme et limiter certaines inflammations. Toutefois, leur efficacité reste entièrement à prouver… Il existe également des interventions chirurgicales appelées cryochirurgie, destinées à détruire les cellules cancéreuses et résorber la tumeur par l’action du froid, à -40 C°. Les cancers du sein inopérables, par exemple, peuvent nécessiter le recours à cette technique médicale émergente.

Cryonie : la prochaine étape de la cryogénie ?

Quid de la bien aimée du malheureux M. Freeze ?

Pourquoi se faire cryogéniser ?

Aujourd’hui, la cryonie, à savoir la cryoconservation des humain pour les gens et animaux dans le but de les réanimer X temps après, relèverait encore de la science-fiction. En effet, cet espoir pour les gens transhumanistes se heurte à la toxicité des cryoconservateurs et au dommages que causent au corps les tentatives de refroidissement. Néanmoins et a fortiori, « science » rime avec « expérience ». Des essais sont donc déjà en cours pour défier la mort. Mais plutôt que de prendre le risque de congeler un organisme encore vivant, certains tentent tout bonnement de momifier par le froid des corps défunts.

Comment fonctionne la cryogénie post-mortem ?

Une partie des cryonistes tablent sur l’hypothèse d’une « mort informationnelle ». Elle suppose que l’identité/individualité/personnalité d’un humain serait codée dans le cerveau. Si elle résistait à la mort clinique, il y aurait donc possibilité de réanimation… Sous réserve toutefois de grands progrès en médecine ! Mais peut-on raisonnablement y croire ?

Cryoconservation des corps : le cas Alcor

Alcor est une entreprise de cryoconservation, c’est-à-dire qu’elle propose à ses clients de cryogéniser leur dépouille, pariant sur l’éventualité que l’on parvienne un jour à les ranimer. Les personnes bénéficiant de cette ultime (et infime ?) chance de toucher du doigt l’immortalité, doivent dépenser environ 200 000€ (80 000€ pour un cerveau seul). Une fois décédées, elles sont « vitrifiées » : on remplace leurs fluides corporels par un cryoprotecteur de synthèse. Puis on garde les macchabées à -196°C dans un container métallique, jusqu’à une éventuelle phase de décongélation.

Toute trace de décomposition est surveillée de près, même, à cette température si les cellules du corps ne doivent plus souffrir de l’agitation moléculaire. Plus de 300 personnes en état de mort biologique sont aujourd’hui soumises à ce traitement, lequel ne garantit contractuellement aucun résultat. Au-delà de représenter un billet de loterie très onéreux plus qu’un véritable espoir pour les gens qui peuvent se l’offrir, la démarche pourrait avoir le mérite d’explorer les limites définitoires de ce que nous appelons communément « la mort »…

Qui a été cryogénisé en premier ?

Un certain James Bedford a été cryonisé en 1967. Cet ancien universitaire est aujourd’hui conservé dans les locaux d’Alcor…