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appareil à IRM
À la différence de l’imagerie par rayon-X qui fonctionne en envoyant des rayons donnant de vous une image à la façon d’un pochoir, l’IRM, ou l’imagerie par résonance magnétique fonctionne grâce à des propriétés quantiques de l’hydrogène et d’importants dispositifs magnétiques.

Pour fonctionner, on place le patient dans un puissant champ magnétique : 100 000 fois le champ magnétique terrestre, ce qui est suffisant pour que les noyaux d’hydrogène s’orientent tous dans le même sens.
Le corps humain étant majoritairement composé d’eau, et l’eau majoritairement composé d’atomes d’hydrogène, ceci concerne environ 60 % des atomes de notre corps.

On envoie ensuite des impulsions magnétiques (appelées radiofréquences, transversales au champ principal) qui vont détourner les atomes d’hydrogène de leur alignement. Le changement d’orientation des noyaux d’hydrogène va induire un bref courant électrique dans les capteurs de l’appareil :

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Schématisation du fonctionnement d’un appareil d’imagerie par RMN ↑

Ce sont ces courants électrique qui vont permettre de produire une image. En effet, les différents tissus dans les divers organes du corps sont plus ou moins denses en hydrogène et la réponse électrique de chaque région du corps est donc différente. Chaque région du corps apparaît donc distinctement sur les images finales. Connaissant la cartographie d’un corps « sain », on repère rapidement la présence de choses inhabituelles, comme une tumeur.

L’appareil à IRM ne détecte que les atomes d’hydrogène. La structure particulière du noyau d’hydrogène lui confère un moment magnétique nucléaire non nul, c’est à dire que leur noyau agit comme de petits aimants. L’appareil à IRM ne fait alors qu’exciter ces petits aimants et en détecter la réponse (un courant induit).
Pour accentuer l’effet obtenu à l’écran, on injecte parfois au sujet une solution contenant des éléments sensible aux impulsions magnétique comme du gadolinium, des oxydes de fer ou du manganèse.

L’imagerie basée sur l’orientation des atomes d’hydrogène soumis à un champ magnétique intense fait partie de ces technologies issues de l’astronomie et de l’exploration spatiale. Les nuages d’hydrogène présents dans l’espace sont parfois soumis à des vents stellaires et d’autres sources de champs magnétiques intenses, et ils réagissent à ça. Si de la lumière nous arrive en traversant cet hydrogène, elle est légèrement altérée (par effet Zeeman ou effet Stark), et ces altérations sont interprétables par les astrophysiciens.

Comme pour tant d’autres choses, donc, si vous êtes sauvés aujourd’hui grâce à la découverte d’une tumeur au moyen d’un appareil à IRM, c’est grâce aux investissements faits il y 50 ans dans l’astronomie.

Ressources :

image d’en-tête de Liz West

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heat pump
On dépeint parfois les pompes à chaleur comme des dispositifs ayant un rendement supérieur à 1, ou « sur-unitaire ».
Ceci est bien évidemment faux car un rendement, en physique, ne peut pas être supérieur à l’unité. Aucun système ne produit plus qu’il ne consomme, et ceci est particulièrement vrai quand on parle d’énergie.

Alors d’où vient cette idée à propos des pompes à chaleur ?

Ce dont on parle avec les pompes à chaleur n’est pas un rendement énergétique, mais un coefficient de performance (COP). Ce nombre peut, lui, très bien être supérieur à l’unité, et il n’est pas synonyme de rendement, comme on va le voir.

Le cas du rendement ordinaire

Quand on veut se chauffer, une forme d’énergie est transformée en chaleur. Dans le cas du chauffage électrique, c’est de l’énergie électrique qui est convertie. Si l’on consomme 1 000 Wh d’électricité, alors on produira 1 000 Wh de chaleur. Le rendement maximal sera unitaire, et l’on récupère sous la forme de chaleur ce que l’on injecté en électricité.

Pour le chauffage au gaz ou au bois, le calcul est le même, sauf que l’énergie initiale est sous forme chimique : on brûle le gaz et le bois qui sont transformé en $CO_2$ et d’autres produits en libérant de la chaleur, mais la quantité de chaleur récupérée ne sera jamais supérieure à la quantité d’énergie chimique présente initialement dans le produit.

C’est aussi simple que cela.

Le cas d’une pompe à chaleur

Pour une pompe à chaleur, dans des conditions propices, on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur quand on ne dépense que 100 Wh d’électricité. Le COP de l’installation est alors de 10.

Ce que le COP indique, c’est simplement que la pompe à chaleur est 10 fois plus viable économiquement pour chauffer votre maison que ne le serait un chauffage électrique. Pour qu’une pompe à chaleur soit rentable à l’usage, il suffit que son COP soit supérieur à 1, et bien-sûr, plus le COP est grand, plus il est rentable par rapport à une installation ordinaire de chauffage électrique.

La question qui vient maintenant, c’est de savoir comment on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur avec seulement 100 Wh d’électricité ?

La réponse réside dans le rôle d’une pompe à chaleur : une pompe à chaleur ne transforme pas l’électricité en chaleur, contrairement à un chauffage électrique. Elle déplace de la chaleur, qu’elle prend dehors et dépose à l’intérieur de la maison.
Et c’est ça qui permet d’être aussi rentable : déplacer de la chaleur ne consomme pas beaucoup d’énergie, en l’occurrence avec notre exemple, déplacer 1 000 Wh de chaleur déjà existante ne consomme que 100 Wh d’électricité.

Une pompe à chaleur ne produit pas de chaleur et ne convertit par l’électricité en chauffage. Une pompe à chaleur est là pour déplacer de la chaleur déjà existante.

Quant à l’origine de cette chaleur, qu’il fasse chaud ou froid, il y a de la chaleur (des calories thermiques) dans le sol et dans l’air. La pompe à chaleur est un appareil destiné à la capter et à la transporter. Le sol dehors est refroidit et votre maison est réchauffée. Comme le sol est virtuellement une ressource illimitée de chaleur gratuite, on peut très bien s’en servir pour chauffer tout en polluant moins et en réduisant les factures d’électricité.

Et pour information, votre réfrigérateur fonctionne comme une pompe à chaleur (en fait, d’un point de vue thermodynamique, les deux sont le même appareil). Un circuit de fluides capte la chaleur à l’intérieur du frigo pour l’évacuer sur la grille au dos du frigo : l’intérieur alors appauvri en chaleur, refroidit (et l’extérieur est réchauffé).

Image de Gary Cziko

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the very large array telescope

Deux possibilités existent : soit nous sommes seuls dans l'univers, soit nous ne le sommes pas. Les deux hypothèses sont tout aussi effrayantes.
— Arthur C. Clarke

Une des plus grandes questions existentielles qui soient est « sommes nous seuls dans l’univers ? ».
Au vu de l’immensité inimaginable de l’Univers, je pense qu’il faut être incroyable égocentrique pour penser que oui, mais qu’est-ce que la science a à dire là-dessus ?

L’équation de Drake

Dans l’hypothèse de l’existence de civilisations extra-terrestres, on ne retiendra que celles qui peuvent technologiquement communiquer avec nous.
D’un point de vue scientifique, on peut toujours essayer d’estimer le nombre de ces civilisations présentes dans notre galaxie. On se base alors sur divers paramètres comme le nombre de planètes habitables et la probabilité qu’une de ces civilisations soit contemporaine à la nôtre.

Ce problème et cette méthode de calcul a été transcrit mathématiquement par Frank Drake dès 1961. Son équation initiale — l’Équation de Drake — est celle-ci :

$$N = R^{*} \times f_{p} \times n_{e} \times f_{l} \times f_{i} \times f_{c} \times L$$

où :

  • $N$ est le nombre de civilisations ;

et :

  • $R^*$ est le nombre d'étoiles en formation par an dans notre galaxie ;
  • $f_p$ est la fraction de ces étoiles possédant des planètes ;
  • $n_e$ est le nombre moyen de planètes potentiellement propices à la vie par étoile ;
  • $f_l$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît effectivement ;
  • $f_i$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles apparaît une vie intelligente ;
  • $f_c$ est la fraction de ces planètes capables et désireuses de communiquer ;
  • $L$ est la durée de vie moyenne d'une civilisation, en années.

À partir de ces facteurs, estimées de la façon la plus réaliste possible et en se basant sur le niveau de connaissance actuelle, donne un résultat égal à $10$ civilisations avec laquelle nous pourrions techniquement entrer en contact, rien que dans notre galaxie.

La première conclusion très importante est que ce nombre n’est pas nul.
Ceci ne concerne que notre galaxie, la Voie Lactée. Si on considère qu’il y a environ le même nombre de civilisations dans chaque galaxie, alors le nombre de civilisations dans l’univers visible serait d’environ mille milliards.

Le paradoxe de Fermi

Aujourd’hui pourtant, toutes nos tentatives visant à détecter l’existence de ces civilisations — en cherchant de leur part ce que nous même laissons comme « trace », c’est à dire principalement des ondes radio ou des traces de composés chimiques dans l’atmosphère des planètes (oxygène, méthane…) — ont été infructueuses.

D’où le paradoxe suivant : « si les civilisations sont si nombreuses dans l’univers, où sont-elles ? ». Ce paradoxe est connu sous le nom de Paradoxe de Fermi.

Plusieurs solutions relativement simples à comprendre peuvent apporter des éléments de réponse.

La première c’est que les civilisations extraterrestres intelligentes sont bien là, mais qu’elles ne nous ont pas trouvés (c’est un peu notre cas).
Ceci peut s’expliquer par la taille incommensurable de l’univers. Par exemple, nos émissions radio, les ondes radio que nous avons émis depuis leur découverte il y a environ un siècle, ont parcouru dans l’univers l’équivalent de 100 années lumières autour de la Terre. Ça semble beaucoup, mais ça ne représente que 0,1 % du rayon de notre galaxie…

Une autre hypothèse c’est que les civilisations sont là mais elles ne nous perçoivent pas comme « intelligents ».
Ceci est simple à comprendre : prenons nos ancêtres les plus proches : les chimpanzés. L’intelligence de leur individus les plus malins leur permet de faire un peu de langage de signes et de reconnaître des formes géométriques. Pourtant, l’ADN de l’humain est identique à 98 % à leur ADN. C’est ce dernier 2 % qui nous permet de parler, écrire, calculer, d’envoyer des fusées en orbite… Alors imaginez comment une civilisation juste 2 % plus avancée que nous nous percevrait-elle, si nous même ne voyons pas les chimpanzés comme intelligents ? Même question pour des civilisations 5 %, 10 % ou 50 % plus évolués que nous ?

Inversement, nous ne percevons peut-être pas forcément les signaux extraterrestres car ils sont trop avancés pour nous. Si elles communiquent avec des ondes radio (comme nous), leurs communications sont peut-être suffisamment chiffrées et compressées qu’ils ne semblent à nos yeux que du bruit, sans signification. C’est en tout cas ce que pense Ed Snowden.

Enfin une autre explication est que les civilisations ne sont pas éternelles. Une civilisation qui a existé il y a 50 millions d’années ne peut plus être détectée. Parlant d’immortalité, notre espèce ne l’est pas non plus et si nous ne nous en rendions pas compte assez rapidement, nous nous éteindrons avant de pouvoir garantir notre survie dans l’univers, réduisant à néant la possibilité de rencontrer un jour une civilisation autre que la nôtre.

Si nous voulons découvrir de la vie extra-terrestre, il faut écouter, aller voir ailleurs et perfectionner notre technologie pour faire tout ça. Pour ça, nous ne pouvons nous permettre de rester à notre stade actuel avec les problèmes que l’on rencontre : climat, IA, etc. Ce serait la fin de l’humanité et nous en serions notre propre cause. C’est là ce que pense Stephen Hawking : notre espèce est condamnée si elle n’avance pas sur la plan scientifique.

image de Diana Robinson

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