Recherche sur la quantique et l'espace-temps

Institut de technologie de Hanovre - Croquis (© Jörg Stanzick)

Laboratoire de coupe 3D

Coupes 3D de l'ascenseur d'Einstein

Albert Borucki - Carpus+Partner

Le bâtiment de laboratoire innovant HITec de l'Université Leibniz de Hanovre offre un espace pour la recherche interdisciplinaire de haut niveau. Une atmosphère de salle blanche sans turbulence, une stabilité absolue de la température sur plusieurs étages, ainsi que des exigences accrues en matière d'isolation contre les vibrations – généralement simultanément – ont posé de grands défis aux architectes, aux planificateurs de salles blanches ainsi qu'aux spécialistes de l'équipement technique des bâtiments.

Les chercheurs et les instituts du cluster d'excellence QUEST (Centre pour l'ingénierie quantique et la recherche sur l'espace-temps) de l'Université Leibniz de Hanovre sont à l’échelle mondiale en tête dans le domaine de l’ingénierie quantique et de la recherche sur l’espace-temps. Les scientifiques y développent, par exemple, des instruments de mesure laser capables de détecter des changements de longueur de l’ordre de la fraction d’un noyau atomique, étudient avec des capteurs de mesure de haute précision le champ gravitationnel de la Terre ou vérifient la théorie de la relativité d’Einstein à l’aide de mesures laser vers la Lune.

Pour améliorer encore les conditions de recherche sur le site de Hanovre et consolider le niveau de pointe international, le très moderne Institut de Hanovre pour la technologie – appelé HITec – est en cours de construction. Adjacent aux bâtiments existants dans la zone universitaire Callinstraße/Appelstraße, il représente une infrastructure de recherche innovante qui – pour la première fois en Europe – rassemble recherche fondamentale, recherche appliquée et développement technologique sous un même toit de manière interdisciplinaire. Jusqu’à 120 chercheurs issus des domaines de la physique quantique, de la physique de la matière condensée, de la géodésie, du développement laser et de la technologie spatiale travailleront ici en collaboration.

Dans le nouveau bâtiment à deux étages, partiellement sous-sol, se trouvent exclusivement des laboratoires physiques où sont développés, fabriqués et testés des instruments optiques, ainsi que certains des équipements de recherche les plus puissants d’Europe et du monde : par exemple, une installation de fibre de tirage hautement spécialisée pour l’équipement spatial répartie sur trois étages, une fameuse « fontaine à atomes » où sont mesurées précisément les trajectoires des atomes, et – en tant que point fort pour les scientifiques – l’ascenseur d’Einstein, un simulateur de chute libre pour des expériences en microgravité. Celui-ci est situé dans une tour de 40 m de haut, à côté du bâtiment.

« Les chercheurs de Hanovre ont besoin d’un environnement de salle blanche sans particules et d’une stabilité thermique maximale pour leurs systèmes optiques complexes et leurs montages. La TGA (équipement technique du bâtiment) nécessaire à cet effet aurait, en raison des vibrations causées par le système de ventilation ou les pompes, influencé les expériences. À cela s’ajoutent les impulsions de perturbation du simulateur de chute libre », explique Albert Borucki, chef de projet au cabinet d’architecture et de planification responsable du HITec, Carpus+Partner, qui représente le défi de la réalisation.

Les grands appareils scientifiques, en partie installés dans les laboratoires, ont également posé des défis difficiles aux planificateurs. Par exemple, la ligne de tir de douze mètres de haut pour fibres optiques spéciales, utilisée pour la fabrication de fibres laser actives pour l’espace. Il est impératif d’éviter toute inclusion de particules, car celles-ci affecteraient défavorablement les propriétés optiques des fibres, les rendant inutilisables. « Ainsi, l’installation est située dans une salle blanche de classe 7 selon EN ISO14644-1, qui couvre trois étages », précise Borucki.

Ce n’est pas une tâche facile : l’air doit être introduit à plusieurs niveaux dans la pièce, sinon les fluctuations de température réduiraient la qualité des fibres creuses. « Cependant, des vitesses d’écoulement élevées ne doivent en aucun cas apparaître. Les fibres seraient alors mises en vibration et endommagées », ajoute Bernd Weiskopf, chef de projet chez l’ingénierie responsable de la ventilation et du refroidissement, Wolf + Weiskopf. « Pour atteindre néanmoins les débits d’air requis, l’alimentation en air se fait via des sorties d’air textiles disposées en anneau autour de l’installation. L’air s’écoule à travers des tuyaux textiles microperforés et sort sans turbulence, de manière uniforme sur toute la surface. »

Pour protéger les laboratoires contre les vibrations causées, par exemple, par les systèmes de ventilation, de refroidissement ou les compresseurs, les planificateurs les ont installés avec isolation contre les vibrations à deux endroits : pour les systèmes nécessitant une proximité spatiale avec leur application, le HITec dispose d’un axe technique central qui court sur toute la longueur du bâtiment et est facilement accessible depuis chaque laboratoire. Ces systèmes sont placés sur des supports en élastomère. Les installations principales de la TGA, en revanche, se trouvent dans ce qu’on appelle le « sac à dos technique », complètement déconnecté du point de vue vibratoire de la partie laboratoire. On y trouve également l’ascenseur de charges, nécessaire au transport d’instruments de recherche lourds vers les dispositifs de mesure sur le toit du bâtiment. Les laboratoires restent ainsi protégés contre les vibrations émises lors des montées et descentes.

Également déconnectée du corps principal du bâtiment, la tour de 40 m de haut abrite le simulateur de chute libre pour la recherche fondamentale en physique quantique – appelé ascenseur d’Einstein. Contrairement aux chutes libres classiques, qui existent dans le monde entier en moins de dix exemplaires, une cabine y est située, pouvant être accélérée et freinée verticalement à l’aide de trois moteurs linéaires électromagnétiques. Grâce à ce système d’entraînement, il est possible de réaliser des expériences de plusieurs secondes en microgravité, ainsi que celles soumises à des forces gravitationnelles, comme celles qui prévalent sur la Lune ou Mars.

Dans la cabine, il n’y a pas de conditions de salle blanche, mais elle peut être remplie avec un gaz de protection ou évacuée pour créer un vide, selon les besoins. Cela distingue également ce simulateur des autres, où toute la cage de chute doit être évacuée pour éliminer la résistance de l’air. Jusqu’à 100 expériences peuvent ainsi être réalisées par jour – une multiplication par rapport au nombre habituel.

Lors de la conception de la tour pour l’ascenseur d’Einstein, deux défis se sont posés aux architectes et aux ingénieurs : d’abord, il faut garantir une température constante sur toute la hauteur d’environ quarante mètres, afin que la guidée de précision de la cabine ne se déforme pas. Sinon, cela pourrait bloquer l’ascenseur ou endommager les moteurs. Des systèmes d’alimentation en air sont également situés à plusieurs niveaux.

« Mais surtout, les phases d’accélération et de freinage génèrent des impulsions qui se traduisent par des vibrations dans les salles de laboratoire », explique Borucki. « C’est pourquoi la tour, ainsi que sa salle de contrôle et de préparation des expériences, sont complètement isolées vibratoirement du reste du bâtiment par une jointure de séparation. » Ces deux pièces se trouvent, comme environ un tiers de la tour, sous la surface du sol et peuvent être accessibles par le sous-sol du HITec.

De plus, la tour de 40 m de haut, séparée du corps principal du bâtiment, abrite le simulateur de chute libre pour la recherche fondamentale en physique quantique – appelé ascenseur d’Einstein. Contrairement aux chutes libres classiques, qui existent dans le monde entier en moins de dix exemplaires, une cabine y est située, pouvant être accélérée et freinée verticalement à l’aide de trois moteurs linéaires électromagnétiques. Grâce à ce système d’entraînement, il est possible de réaliser des expériences de plusieurs secondes en microgravité, ainsi que celles soumises à des forces gravitationnelles, comme celles qui prévalent sur la Lune ou Mars.

Dans la cabine, il n’y a pas de conditions de salle blanche, mais elle peut être remplie avec un gaz de protection ou évacuée pour créer un vide, selon les besoins. Cela distingue également ce simulateur des autres, où toute la cage de chute doit être évacuée pour éliminer la résistance de l’air. Jusqu’à 100 expériences peuvent ainsi être réalisées par jour – une multiplication par rapport au nombre habituel.

Lors de la conception de la tour pour l’ascenseur d’Einstein, deux défis se sont posés aux architectes et aux ingénieurs : d’abord, il faut garantir une température constante sur toute la hauteur d’environ quarante mètres, afin que la guidée de précision de la cabine ne se déforme pas. Sinon, cela pourrait bloquer l’ascenseur ou endommager les moteurs. Des systèmes d’alimentation en air sont également situés à plusieurs niveaux.

« Mais surtout, les phases d’accélération et de freinage génèrent des impulsions qui se traduisent par des vibrations dans les salles de laboratoire », explique Borucki. « C’est pourquoi la tour, ainsi que sa salle de contrôle et de préparation des expériences, sont complètement isolées vibratoirement du reste du bâtiment par une jointure de séparation. » Ces deux pièces se trouvent, comme environ un tiers de la tour, sous la surface du sol et peuvent être accessibles par le sous-sol du HITec.