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Présentation de l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris
L’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris) est la première école d’ingénieurs française au classement de Shanghai. Distinguée par 6 prix Nobel, elle allie recherche d’excellence (1 publication par jour),innovation (1 brevet par semaine, 3 start-ups par an) et formation interdisciplinaire par la recherche.
Elle accueille 400 élèves ingénieurs, 600 chercheurs dans 9 unités mixtes de recherche et environ 100 agents de support de la recherche et de l’enseignement.
Rattachement du poste
La thèse se déroulera au Laboratoire de Physique et d’Étude des Matériaux (LPEM) sous la direction de Stéphane Holé, Professeur à Sorbonne Université, dans le cadre du projet européen SCARLET regroupant 15 partenaires en Europe.
Missions et responsabilités
L’énergie électrique est un bien indispensable dans nos vies de tous les jours. Mais avant qu’elle puisse être consommée, il est nécessaire de la transporter depuis son lieu de production. Bien que le transport de l’énergie électrique semble simple dans le conscient collectif, il suffit de quelques fils électriques, cela ne correspond pas du tout aux enjeux d’aujourd’hui et de demain.
En effet, les besoins en électricité augmentent continuellement, les pertes énergétiques ne sont plus acceptables à l’heure du réchauffement climatique ainsi que, dans une moindre mesure, les couloirs de câbles aériens à travers nos campagnes. Les pertes diélectriques peuvent être éliminées par le passage de l’alternatif au continu. La puissance transportée étant le produit de la tension par le courant, l’augmentation de la tension réduit d’autant le courant pour une puissance donnée et donc les pertes par effet Joule.
Cependant, comme il n’est pas possible d’augmenter indéfiniment la tension, les pertes par effet Joule restent non négligeables et empêchent l’éloignement des sites de production des sites de consommation.Une façon de réduire drastiquement les pertes par effet Joule est de prendre un matériau supraconducteur plutôt que du cuivre pour conduire le courant.
Les matériaux supraconducteurs conduisent en effet le courant sans résistance et donc sans effet Joule. Cependant, les matériaux supraconducteurs ne fonctionnent qu’à basse température, ce qui nécessite de refroidir le conducteur et donc de dépenser de l’énergie. Dans le cadre du projet européen BEST -PATHS, il a été démontré qu’au-delà d’une centaine de kilomètres, les câbles de transport d’énergie supraconducteurs consommaient moins d’énergie que les câbles conventionnels, mais surtout qu’ils étaient capables de transporter beaucoup plus d’énergie avec une empreinte environnementale presque dix fois moindre. Cela permettrait la construction d’autoroutes de transport d’énergie à travers les continents, en bénéficiant des vents abondants dans les pays nordiques ou au large des côtes et du soleil abondant dans les déserts près de l’équateur.
Cette démonstration a cependant été faite avec un refroidissement mixte utilisant de l’azote liquide et de l’hélium gazeux, ce qui ne permet pas un déploiement industriel viable car l’hélium est un gaz peu abondant. L’objet du nouveau projet européen SCARLET, est de valider une nouvelle technologie utilisant de l’hydrogène liquide plutôt que de l’hélium gazeux.
Si les matériaux supraconducteurs sont capables de conduire beaucoup de courant, il faut les porter à une tension suffisamment élevée pour transporter assez d’énergie. Or, sous haute tension, les isolants sont loin d’être parfaits, des charges peuvent s’y injecter et s’y piéger durablement. Le champ électrique produit par ces charges se superpose alors au champ appliqué ; le champ total est donc susceptible de dépasser le champ de rupture diélectrique et entrainer ainsi le claquage de l’isolant rendant caduque l’installation. Sachant qu’un électron excédentaire sur un milliard de molécules peut produire cet effet, il est absolument indispensable d’étudier et de caractériser le matériau d’isolation d’un câble de transport d’énergie avant tout.
L’objectif de la thèse s’inscrit dans cette démarche d’étude et d’analyse sachant que rien n’est connu pour l’hydrogène liquide à 20 K en écoulement et imprégnant divers matériaux. Le groupe instrumentation du LPEM de l’ESPCI est en pointe dans le domaine de la mesure des distributions de charges électriques et de champ dans les matériaux. Il a notamment développé de nombreuses instrumentations spécifiques en milieu cryogénique et de nombreuses méthodes d’analyse des signaux, notamment pour les structures complexes.
C’est pour cette raison qu’il a été choisi par le consortium pour caractériser intégralement la partie isolante du câble supraconducteur dans le projet européen SCARLET. Dans le cadre de son travail, le doctorant aura comme mission de développer et d’utiliser des bancs de mesure cryogéniques pour déterminer la tension de claquage de l’hydrogène liquide, pour mesurer et analyser la distribution de charges dans des structures sous haute tension imprégnées par de l’hydrogène liquide et pour évaluer l’effet d’électrification par écoulement d’hydrogène liquide sur les matériaux solides du câble.
Il s’agit d’une thèse de physique expérimentale avec une composante de conception et de traitement du signal. Outre les publications, la nature européenne du projet nécessite une maitrise de l’anglais pour échanger avec les partenaires.
Profil
Connaissances et qualités recherchées :
• Connaissances en instrumentation, en propriété électronique des matériaux, en traitement du signal, en électronique de base et si possible en ultrason
• Maitrise d’outils informatiques de traitement (Matlab ou Python) et de production
scientifique (traitement de texte, tableur, dessin)
• Maîtrise de l’anglais, de la recherche documentaire
• Autonomie et analyse critique
• Goût pour la conception et la réalisation
Formation requise (ou diplôme : Master 2 ou équivalent en instrumentation ou en physique des matériaux solides ou liquides
Expérience souhaitée : Au moins un stage ayant porté sur un développement instrumental ou sur de la caractérisation électrique de matériaux ou sur l’utilisation d’ultrasons
Poste à pourvoir à compter du : 1/12/2022
Contact
Les candidatures (CV, lettre de motivation, résultats académiques des deux dernières années) sont à transmettre par courriel à Stéphane Holé (stephane.hole@espci.fr).
Pour tout complément d’informations, contacter Stéphane Holé (stephane.hole@espci.fr).
Lieu
ESPCI/LPEM – 10, Rue Vauquelin – 75005 Paris
Métro ligne 7 (Place Monge/Censier Daubenton) – RER B (Luxembourg)
Bus 21, 27 & 47 – 3 stations Vélib’ à proximité