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La métrologie au service du développement durable


La métrologie scientifique regroupe les travaux de recherche concernant les unités du Système international SI (de base et dérivées), les constantes fondamentales, l’amélioration et le développement de références métrologiques nationales (chimie, environnement, etc.), ainsi que les travaux de recherche appliquée visant à améliorer les méthodes de mesure et d’analyse, pour les polluants notamment. La métrologie légale recouvre l’ensemble des dispositions réglementaires mises en place par les pouvoirs publics pour garantir l’application et la fiabilité d’un certain nombre d’instruments de mesure. La métrologie industrielle consiste à maîtriser et optimiser l’utilisation des appareils de mesure, qui peuvent avoir une influence sur le fonctionnement d’un procédé, la qualité des produits et services, ou la connaissance d’un milieu.



La métrologie joue un rôle important dans les domaines de la technologie et de l’innovation. La maîtrise des processus de mesure est en effet un élément clé de la économiques au niveau international, et peut contribuer à l’élaboration des politiques publiques, en apportant des éléments essentiels tels que la mesure de paramètres environnementaux et sanitaires liés aux nouvelles technologies.

En France, le réseau de recherche en métrologie est structuré autour du LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais), et compte dix laboratoires (quatre européenne des bureaux nationaux de métrologie, EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) , coordonne la coopération des instituts nationaux de métrologie de plusieurs pays et définit le programme européen de recherche. Les pays en position dominante sont les États- Unis, le Japon et l’Allemagne. La France fait quant à elle partie des six pays les mieux placés et est leader dans la mesure du temps, grâce à la mise au point d’horloges atomiques, dont l’une des applications est le système de positionnement Galileo. La faiblesse de la structure de transfert de technologies en France touche particulièrement la métrologie française, ce qui se traduit par de faibles transferts de technologies de la métrologie fondamentale vers l’industrie. En complément de la recherche fondamentale au sein du LNE, la recherche partenariale, notamment avec les PME, doit être développée pour des domaines plus appliqués. À cet égard, les instituts Carnot pourraient constituer un relai dans le transfert de technologies.
Les recherches de Claude Cohen-Tannoudji sur le refroidissement et la capture d’atomes par laser (prix Nobel de physique 1997) ont fortement contribué à l'excellence française dans le domaine de la mesure du temps.


Les perspectives technologiques


Globalement, les mesures vont devoir évoluer : seuils de détection de plus en plus bas, précision de plus en plus grande, mesures dynamiques (en continu), couplées à capteurs simples, fiables et peu onéreux. Le recours à la modélisation pour réduire le coût de la mesure ainsi que la diffusion et la mise à disposition des données constituent également des axes d’évolution.

Le renforcement de la réglementation en matière environnementale et les incertitudes qui planent sur les effets de certains polluants et radiations ionisantes sur l’environnement et la santé soulignent la nécessité de développer la métrologie environnementale (chimie et biologie). Les enjeux sont l’identification et l’analyse in situ des polluants « émergents » à très faible dose (résidus pharmaceutiques, perturbateurs endocriniens, pesticides, etc.), le développement de méthodes analytiques plus performantes, rapides, peu onéreuses et faciles à mettre en oeuvre, l’émergence d’une filière, pour l’eau notamment. Le durcissement de la réglementation en matière de qualité de l’eau, de l’air et des sols devrait permettre d’accélérer le développement de ce secteur de la métrologie. La métrologie environnementale est une science récente, qui n’a pas encore une grande visibilité. Les relations entre les différents acteurs concernés (organismes de recherche, fabricants de capteurs, développeurs de réseaux de mesure, utilisateurs finaux, etc.) doivent se développer. La métrologie en chimie va devoir faire des progrès de plus en plus importants, notamment en chimie analytique (détection de la présence de molécules, mesure de la concentration, détermination de la structure spatiale). À ce titre, les biotechnologies pourraient contribuer au développement de capteurs de paramètres environnementaux, avec notamment l’utilisation de biopuces et de « labs on chips ».

La production intégrée de données pour la surveillance environnementale, combinant mesures in situ et données satellitaires, est une voie de progrès technologique. Ces dispositifs de surveillance environnementale peuvent se faire via l’organisation de démonstrateurs collaboratifs publics-privés valorisant la synergie et le couplage des données in situ et satellitaires, associant mesure et modélisation pour en démontrer la complémentarité et apportant la preuve d’une rentabilité économique ou d’un bénéfice environnemental. Les données satellitaires et in situ sont fortement complémentaires : validation de la donnée satellitaire à l’aide de la donnée in situ (calibration), extrapolation (et valorisation) de la donnée in situ au moyen de la donnée satellitaire (utilisation de la donnée satellitaire pour spatialiser la mesure locale de façon optimale), et couplage des deux catégories de données, en particulier via les modèles, étalonnés à partir d’un ensemble d’informations spatialisées et de mesures locales.

Le manque de connaissances relatives aux impacts sanitaires et environnementaux liés aux nanoparticules, et le défi que représente la mesure à l’échelle du nanomètre ont fait émerger une nouvelle branche de la métrologie : la nanométrologie. Son aspect multidisciplinaire nécessite l’émergence de nouveaux concepts : développement de nouveaux instruments, matériaux de référence, méthodologies, traçabilité des mesures. Un des principaux enjeux de la nanométrologie réside dans la caractérisation des nanoparticules (forme, caractéristiques physico-chimiques, etc.) et dans l’amélioration des mesures des matériaux nanostructurés (développement de la métrologie hybride). Cette science nécessite une coopération entre les différents acteurs. Le club de nanométrologie, fruit d’un partenariat entre le LNE et C’Nano, a vu le jour récemment (automne 2011) et a pour vocation d’« établir une passerelle entre le monde industriel et le monde académique par la mise en commun de problématiques métrologiques dans tous les domaines que recouvrent les nanosciences et les nanotechnologies ». Au niveau européen, plusieurs groupes de travail sur la nanométrologie ont ou vont être mis en place dans le cadre du programme européen de recherche en métrologie (European Metrology Research Programme ou EMRP). La France n’a pas les moyens de développer seule les technologies et équipements de précision dont elle a besoin. Les développements technologiques ont lieu essentiellement aux États-Unis, notamment pour la métrologie hybride.

La température est l’un des paramètres les plus mesurés en industrie : les enjeux industriels sont donc importants. Des évolutions incrémentales sont attendues. La cryogénie (basses températures) a fait l’objet de beaucoup de progrès, tandis que le domaine des très hautes températures (entre 1 000 °C et 3 000 °C) présente encore des enjeux importants et nécessite des progrès. Les recherches actuelles visent à améliorer l’incertitude dans la gamme des très hautes températures, en établissant de nouvelles références destinées à être transférées à l’industrie (aéronautique, nucléaire, sidérurgie, etc.).

Enjeux sectoriels


Les tableaux suivants présentent les principaux enjeux de la métrologie pour lesquels des programmes de recherche ont été mis en oeuvre pour les années à venir.
ENERGIE
Nucléaire Augmentation des températures de fonctionnement pour la génération 4 (> 1 000 °C) • Améliorer les mesures des hautes températures. Des références de température utilisables in situ et permettant de quantifier la dérive des capteurs de température sous irradiation sont à l’étude
• Déterminer des méthodes et moyens de mesure pour les propriétés thermophysiques (capacité thermique massique, diffusivité thermique, etc.) des matériaux adaptés à ces nouveaux réacteurs nucléaires, pour des températures allant jusqu’à 2 000 °C
Mesure des rayonnements ionisants • Développer de nouvelles méthodes de détection, basées sur des principes physiques différents, avec des seuils de détection plus bas (détecteurs cryogéniques)
• Améliorer la connaissance de la durée de vie des radionucléides présents dans les déchets
Centrales thermiques Augmentation des températures de fonctionnement (jusqu’à 1 500 °C) • Réduire les incertitudes de mesure des paramètres électriques, etc.)
• Améliorer la connaissance des propriétés thermiques des matériaux utilisés dans les nouvelles turbines à gaz
Carburants liquides biologiques Développement de méthodes et étalons propres à la filière • Développer des mesures du PCS de carburants liquides
• Mettre en place une méthode de référence pour la mesure de pH du bioéthanol et de la conductivité des biocarburants
Biocarburants et gaz Caractérisation des nouveaux gaz • Développer des méthodes de mesure du pouvoir calorifique du gaz et des rejets CO2 engendrés par sa combustion
Énergie solaire Caractérisation des cellules de référence pour satisfaire les exigences normatives internationales • Améliorer les mesures des performances et des propriétés physico-chimiques (électriques, optiques, thermiques, etc.) des modules photovoltaïque
• Développer des méthodes de mesure de l’irradiance solaire, de l’absorbance, et de l’émission IR pour le solaire thermique
Énergie éolienne (terrestre et off-shore) Évaluation du potentiel énergétique Mesure du rendement • Étudier l’influence de l’effet de blocage des anémomètres aux fortes vitesses (compréhension des phénomènes d’interaction, amélioration des caractéristiques d’étalonnage)
• Quantifier l’impact de la turbulence atmosphérique sur leur réponse
• Mesurer les événements extrêmes pour mise en sécurité
Énergies renouvelables marines Énergie thermique des mers • Mesure des gradients thermiques
• Mesure des débits
Énergie des vagues • Mesures satellitaires de l’état de la mer
Énergie des courants • Mesure des vitesses du courant, de sa direction, et du rendement des hydroliennes
Réseaux électriques intelligents Amélioration de la surveillance et du contrôle des nouveaux réseaux • Développer des outils métrologiques destinés à améliorer la sûreté, la stabilité et l’intégration des différentes composantes du réseau (mesureurs de phase, compteurs intelligents, systèmes portatifs pour mesure à distance de la qualité du réseau, outils de modélisation du réseau)
TRANSPORTS
Aéronautique Mesure de débit de gaz en conditions extrêmes • Étalonner les mesures de débits à hautes pressions (300 bars)
Amélioration des mesures 3D • Construire un modèle complet d’évaluation de l’incertitude sur les caractéristiques mesurées sur machine 3D
Automobile Émissions de polluants • Mettre en place des méthodes appropriées de quantification d’éléments polluants dans les émissions automobiles (Pt…)
Ferroviaire Détermination, à grande vitesse, de la position des rails et obstacles constituants le gabarit ferroviaire • Développer des outils de mesure embarqués (un ou plusieurs lasers rotatifs, classiquement) afin de déterminer la position exacte de tous les obstacles, en tenant compte en même temps des mouvements du mobile qui se déplace pendant la mesure
BATIMENT
Pollution de l’air intérieur Mesure des polluants spécifiques et de la qualité globale • Développer des références nationales pour les concentrations de polluants spécifiques (COV, aldéhydes, dioxydes d’azote)
• Mesurer la qualité globale de l’air intérieur (y compris micro-organismes)
• Orienter les réglementations à venir
Isolation Propriétés thermiques des matériaux • Améliorer les mesures de conductivités thermiques
• Développer une traçabilité pour la comparaison de matériaux
Éclairage LED • Évaluer l’efficacité et la qualité de l’éclairage à base de LED blanches
• Évaluer les conséquences sanitaires possibles
TECHNOLOGIES TRANSVERSES
Matériaux Matériaux composites (Nanocomposites polymères) - Matériaux supraconducteurs - Matériaux en couches minces • Développer des nouvelles méthodes de mesures des paramètres physiques et chimiques de ces matériaux avancés
Nano-technologies Dispositifs nanostructurés (nanotubes, couches minces) • Élargir le champ des mesures à des grandeurs autres que dimensionnelles (capacité, T°…)
Nanoparticules en suspension dans l’air • Améliorer les méthodes de caractérisation
• Impulser une normalisation
Environnement Surveillance de l’environnement lié aux risques radioactifs • Mettre en oeuvre des méthodes et références pour les mesures de faible activité
Pollution air, eau, sols, tant du point de vue du suivi des sources que de la surveillance du milieu • Développer des méthodes de caractérisation et de quantification des polluants émergents
Science et générique Métrologie pour le développement de la modélisation
Étalonnage et calibration • Détection de la dérive des instruments
TIC et nouvelles technologies • Développement de micro-capteurs, Labs on chip, transistors à effet de champ (ISFET), bio-puces