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22 décembre 2003
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Le programme à 20 ans du Département américain de l'énergie, dans le domaine des grands équipements scientifiques

"Les grand équipements scientifiques considérés comme prioritaires par l'Office of Sciences américainLes grands équipements scientifiques considérés comme prioritaires par l'Office of Sciences américain. Enseignements à en tirer pour la recherche européenne

L'Office of Science dépend du département fédéral de l'énergie, qui joue lui-même un rôle de coordination dans le domaine des recherches scientifiques destinées au secteur civil. Cet organisme, sous l'impulsion du Secrétaire à l'énergie Spencer Abraham, vient de présenter au Président Bush (novembre 2003) une liste de 27 grands équipements scientifiques dont il propose la mise en place d'ici les 20 prochaines années. Cette liste de projets prioritaires est extraite d'une liste de 40 programmes analogues. Les projets sont classés par ordre d'urgence, court terme, moyen terme et long terme (voir http://www.science.doe.gov/Sub/Facilities_for_future/20-Year-Outlook-screen.pdf). .

Il faut noter d'emblée que de tels programmes sont loin d'épuiser les perspectives de développement scientifique aux Etats-Unis. D'abord ils n'évoquent pas les projets intéressant la poursuite de la conquête de l'espace (avec notamment des débarquements sur la Lune et Mars). Ensuite, ils ne font pas allusion aux domaines des sciences émergentes et convergentes évoqués par la National Science Foundation en 2002, et que nous avons souvent cités. Cependant, la lecture des fiches montre bien que les équipements proposés par le Department of Energy concourent en amont comme en aval aux progrès de ces sciences, notamment en moyens de calcul, robotique autonome, biotechnologies et nanatechnologies. Les équipements permettront d'approfondir sans cesse les secrets de la matière et de la vie, connaissances indispensables aux dites sciences émergentes.

Enfin, le rapport n'évoque évidemment pas les recherches stratégiques d'intérêt militaire, couvertes par le secret (classified). Certaines de celles-ci sont connues par ailleurs des observateurs attentifs. Mais d'autres font l'objet d'une telle opacité que toutes les rumeurs peuvent se répandre, aux Etats-Unis même. On citera la controverse actuelle concernant les nanotechnologies. Les recherches se limitent-elles à ce qu'annonce le plan déjà important consacré à la fabrication de produits industriels "classiques" à partir des nanotechnologies, ou n'ont-elles pas déjà commencé à réaliser des nanotechnologies moléculaires (MNT) autrement plus puissantes puisqu'elles visent à obtenir des entités auto-réplicatives sur le mode biologique, à partir d"assembleurs moléculaires". Le père des nanotechnologies, Eric Drexler, s'est vu contester la faisabilité, aujourd'hui, de réaliser des MNT. Mais certains supposent qu'en réalité le Pentagone aurait mis au point un plan visant à les développer dans le secret, comme ce fut le cas jadis du Programme Manhattan relatif aux armements atomiques, qui ne fut connu qu'une fois les résultats visés obtenus (Voir sur ces sujets l'article du Center for responsible nanotechnologies http://crnano.org/Debate.htm et celui du Chemical and Engineering News concernant directement la controverse Smalley-Drexler http://pubs.acs.org/cen/coverstory/8148/8148counterpoint.html).

Pour en revenir au programme de l'Office of Science, il faut noter que celui-ci insiste sur le fait qu'il s'agira d'installations et de technologies (facilities) d'un niveau dépassant tout ce qui existe ailleurs dans le monde. Elles devraient être ouvertes à la coopération internationale, plus de 18.000 chercheurs étrangers travaillant déjà aux Etats-Unis dans les domaines correspondants.

Il est indispensable que les gouvernements européens et leurs opinions publiques étudient rapidement ce programme, pour mesurer l'effort stratégique visant à donner aux Etats-Unis plusieurs années d'avance dans le domaine des sciences et des techniques. Nous proposerons ensuite quelques commentaires.

Les équipements retenus comme prioritaires

Priorité immédiate (1 à 5 ans)

1. ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor).
Il s'agit du réacteur international expérimental à fusion dont l'implantation se fera soit à Cadarache (FR), site retenu pas les ministres européens des sciences, soit au Japon sur le site de Rokkasho-Mura (la décision devrait intervenir courant février 2004). Manifestement, les Etats-Unis, où que soit installé le site définitif, ont l'intention de jouer un rôle majeur dans le développement de cette forme d'énergie révolutionnaire, susceptible de remplacer la plupart des autres dans le courant de ce siècle. A ce jour, conjointement avec le Japon, ils ont bloqué la décision d'implanter le site en Europe.

On trouvera sur le site du DOE, en accompagnement des négocitations de Washington sur l'implantation d'ITER, un exposé de la position américaine http://www.science.doe.gov/Science_News/feature_articles_2003/December/
ITER/ITER_brochure_final.pdf
.

2. Réseau de super-calculateurs scientifiques (Ultrascale Scientific Computing Capability, USSCC).
L'objectif est de ne pas laisser aux Japonais la maîtrise des ordinateurs géants, tel que celui dit Earth Simulator affecté à la prévision de l'évolution globale du globe [voir notre éditorial du 7 janvier 2003]. L'USSCC sera développé en conjuguant toutes les ressources des industries du matériel et du logiciel, dont on sait que les progrès évoluent sur le rythme de la loi dite de Moore (doublement des capacités tous les 18 mois). La destination est affichée comme scientifique et non pas commerciale. Les ressources devraient être disponibles pour tous chercheurs. Dans l'industrie, le prototypage virtuel des futurs produits devrait permettre, grâce à ce calculateur, des millions de dollars d'économies.

3. Mission Energie noire (Joint Dark Energy Mission, JDEM).
Il s'agit de réaliser un satellite destiné spécialement à étudier l'énergie du vide, dite aussi énergie noire, que l'on soupçonne d'être responsable de l'expansion accélérée de l'univers constatée récemment. Certains chercheurs pensent qu'outre son intérêt pour la physique fondamentale, l'étude de l'énergie noire pourrait à terme proposer l'accès à de nouvelles formes d'énergie.

4. Accélérateur linéaire en lumière cohérente (Linac Coherent Light Source).
Il s'agit de réaliser un synchrotron capable de produire des rayons de type laser 10 millions de fois plus puissants que les sources de rayon X existantes. Les applications permettront d'étudier en profondeur toutes sortes de molécules et de réactions chimiques.

5. Système de production et marquage de protéines (Protein Production and Tags).
Le système s'inscrit dans le développement exponentiel de la protéomique, qui est le développement obligé de la génomique : analyse et production automatique de dizaines de milliers de protéines par an, marquage permettant de les identifier et les réutiliser au sein des organismes vivants. Des milliers de génomes microbiens seront étudiés, chacun de ces génomes produisant plusieurs milliers de protéines. Les méthodes classiques rendent aujourd'hui la tâche impossible, même en se limitant à une seule bactérie.

6. Générateur d'isotopes instables (Rare Isotope Accelerator, RIA).
L'étude des isotopes (atomes d'un même corps possédant des nombres différents de neutron dans leur noyau) permet de comprendre l'origine de la matière et donc l'histoire de l'univers. La plupart des isotopes ont des durées de vie longues. Mais certains se désintègrent très vite. Ce sont eux qu'il convient de générer et d'étudier au sein de faisceaux fortement accélérés. La construction de l'accélérateur vise à assurer le leadership américain en physique fondamentale.

7. Identification et imagerie de machines moléculaires. (Characterization and Imaging of Molecular Machines).
Cet équipement viendra dans la suite du n°5. L'objectif sera d'identifier les milliers de "machines moléculaires" qui assurent les fonctions vitales au sein d'une seule cellule. Il sera possible ensuite de les utiliser pour la réalisation de nombreuses tâches intéressant la santé, l'environnement, l'énergie, etc. Grâce à une informatique de haut niveau, le système analysera des milliers de machines moléculaires dans le délai nécessité aujourd'hui par l'étude d'une seule de celles-ci.

8. Renforcement à 12 GeV de l'accélérateur d'électron du Thomas Jefferson Laboratory (Continuous Electron Beam Accelerator Facility - up grade).
Le renforcement de puissance de cet accélérateur de leptons (électrons) permettra d'approfondir les études concernant les composants des particules des noyaux atomiques, notamment pour la recherche des quarks, qui n'ont jamais encore été séparés à ce jour. Des progrès considérables dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM) en découleront également.

9. Amélioration de performance du Réseau des sciences de l'énergie (Energy Sciences Network. Esnet).
Ce réseau rassemble toutes les données nécessaires au Département de l'Energie. Il est interconnecté avec plus de 100 autres réseaux. Il supporte un trafic qui double chaque année. D'où la nécessité de le mettre à niveau pour faire face à la demande des prochaines années.

10. Renforcement des capacités informatiques du centre de calcul scientifique du département de l'énergie (National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC).
Le système informatique sera renforcé selon la technique des réseaux d'ordinateurs (grid).

11. Microscope électronique à très haute résolution (Transmission Electron Achromatic Microscope, TEAM).
Cette nouvelle génération de microscope éliminera les distorsions et augmentera la sensibilité jusqu'à 0,05 microns. Ceci permettra d'étudier les combinaisons atomiques donnant naissance aux matériaux, dont les propriétés seront considérablement améliorées, notamment au bénéfice de l'industrie.

12. Etude expérimental des B-particules dans le collisionneur proton-antiproton Tévatron du Fermi Lab (B-particles physics at the Tevatron, BteV).
Les B.particules sont des événements très rares permettant d'étudier les collisions matière-anti-matière. Le BteV les produira en grand nombre. Ceci devrait permettre de comprendre la rupture de symétrie matière/anti-matière ayant donné naissance à l'univers tel que nous le connaissons.

Priorités de moyen terme (10 à 15 ans)

13. Collisionneur linéaire (Linear Collider).
Les physiciens américains avaient fortement - et à juste titre - contesté l'abandon pour raisons d'économies d'un projet de Grand Collisionneur de hadrons (protons) qui a été repris par les européens au CERN. Le LHC du CERN entrera en fonction dans 3 à 5 ans. Pour la suite, et pour ne pas continuer à dépendre entièrement du CERN, les Etats-Unis proposent de réaliser un Collisionneur Linéaire qui complétera le LHC en permettant d'étudier les collisions particule/particule plutôt que celles de clusters de particules.

14. Analyse et modélisation des systèmes cellulaires (Analysis and Modelling of Cellular Systems).
Le dispositif permettra de préciser comment les systèmes multi-cellulaires, incluant les communautés microbiennes, s'organisent au niveau moléculaire. Ceci permettra de mieux utiliser les bactéries pour diverses tâches intéressant notamment la restauration de l'environnement et de nombreuses applications industrielles. Mais on obtiendra aussi des informations précieuses sur la façon dont les communautés biologiques s'organisent et se développent, au niveau des bactéries.

15. Renforcement du système de spallation de neutrons (Spallation Neutron Source, SNS).
La spallation consiste à produire des particules par bombardement des noyaux avec de hautes énergies. En l'espèce, il s'agit d'améliorer les capacités de production de neutrons du SNS. Ceux-ci sont utilisés comme sondes pour l'étude des phénomènes magnétiques et électro-magnétiques, employés notamment dans l'industrie électronique.

16. Analyseur de protéomes complets (Whole Proteome Analysis).
L'analyse portera sur l'adaptation que les bactéries introduisent dans leur catalogue de protéines (protéome) en activant telle ou telle partie de leur génome, pour faire face à telle ou telle modification de l'environnement. Ceci permettra des recherches thérapeutiques (par exemple sur les immunités) ou relatives à l'utilisation pratique des bactéries, impossibles actuellement sans des milliers de mesures.

17. Détecteur souterrain de neutrinos dans la dégradation de certains noyaux (réaction dite double-beta) (Double Beta-Decay Underground Detector).
Il s'agit avec la recherche de neutrinos produits dans certaines conditions, de continuer à explorer les relations entre la physique fondamentale et la cosmologie.

18. Nouvelle génération de tore de confinement pour l'étude des plasmas dans la fusion nucléaire (Next Step Spherical Torus Experiment).
Cet équipement fondamental pour les progrès de la production d'énergie de fusion, devrait compléter les équipements installés sur le futur site ITER (voir priorité 1). Ceci qui montre bien la volonté des Etats-Unis de ne pas dépendre exclusivement de ce dernier programme.

19. Augmentation de puissance du Collisionneur d'ions lourds (Relavistic Heavy Ion Collider, RHIC) .
Ceci s'insère dans la chasse aux quarks en tant que particules individualisables. Il s'agit de démontrer la possibilité de créer des plasmas de quark (quark-gluon plasma) à partir d'ions de métaux lourds, tels l'or.

Priorités de long terme (10 à 20 ans)

20. Augmentation de puissance du Synchrotron National (National Synchrotron Light Source Complex).
Ceci contribuera à la création de rais de lumière synchrotron de plus en plus puissantes. Les applications en sont très nombreuses, en physique comme en biologie.

21. Super faisceau producteur de neutrinos (Super Neutrino Beam).
Il s'agira de produire des neutrinos, particules fondamentales particulièrement insaisissables, en quantité suffisante pour mieux comprendre cette particularité essentielle de l'univers.

22. Renforcement du générateur de rayons X mous du Lawrence Livermore Laboratory
(Advanced Light Source).
Cet équipement est essentiel pour l'exploration des régions du spectre à la frontière de l'optique et de l'électronique (dite terahertz gap) indispensable à une meilleure compréhension de la matière aux niveaux atomiques et du rayonnement ultra-violet.

23. Renforcement du générateur avancé de photons (Advanced Photon Source) de l'Argonne National Laboratory.
Il s'agit de continuer à explorer la région du spectre productrice de rayons X durs.

24. Ajout d'un accélérateur d'électrons à l'actuel Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) : Pour mémoire, voir le rapport.

25. Renforcement des équipements des générateurs de fusion.
Il s'agit de continuer à préparer la récupération des travaux menés dans le réacteur expérimental Iter (voir nos observations précédentes).

26. Renforcement du Réacteur isotopique à hautes énergies (High-Flux Isotope Reactor).
Il s'agit de rattraper l'Europe qui a décidé d'installer 5 équipements de cette nature, indispensables à l'étude des structures dynamiques (matériaux, biologie) et des phénomènes magnétiques et électroniques auto-organisateurs. On utilise pour ce faire des "neutrons froids".

27. Production de flux de rayonnements intégrés
(Integrated Beam Experiments, IBX).
Cet équipement, comme ceux du 25, complétera les recherches relatives à la fusion. Il utilisera pour produire la fusion et transmettre l'énergie obtenue, non plus les systèmes liés au confinement magnétique, mais ceux liés à la production d'ions rapides, dits à inertie. Cette solution développera les acquis des réacteurs dits Mégajoules tel celui développé en France à Marcoule

Enseignements à en tirer pour la recherche européenne

La présentation de cette liste d'équipements au président Bush ainsi que l'accord semble-t-il général sur la nécessité de les financer montre que les réticences passées des budgétaires et parlementaires américains devant des équipements scientifiques plus ou moins lourds destinés en priorité à des recherches fondamentales n'ont plus court. L'Amérique a compris, comme d'ailleurs le dit fort bien dans son rapport (à lire absolument) le secrétaire à l'énergie Spencer Abraham, qu'il est essentiel au renforcement de sa puissance sur le plan mondial de garder ou prendre une avance de quelques années sur tout ce que peuvent faire les autres puissances scientifiques.

Ceci ne peut se juger en termes de retombées économiques immédiates. Disposer des meilleurs équipements et des meilleures équipes permet de drainer à son profit les meilleurs des chercheurs étrangers. Mais il est plus important encore de montrer que les Etats-Unis sont les seuls à conduire efficacement l'aventure humaine vers plus de connaissances.

Ceci étant, les projets présentés font clairement allusion à leurs retombées tant dans le secteur des recherches militaires (classified) que dans les applications industrielles et commerciales. Aujourd'hui, que ce soit en cosmologie et physique fondamentale, en physique des matériaux, en biologie, il n'est plus possible de distinguer recherche fondamentale et recherche appliquée. L'une et l'autre s'entraînent réciproquement. C'est donc aux budgets publics qu'il appartient de financer l'exploration des nouvelles voies de connaissances et de découverte.

Une autre observation doit être faite : de nombreux scientifiques, aux Etats-Unis comme ailleurs, se plaignent parfois que les grands équipements (par exemple les accélérateurs de particules) consomment des sommes qui auraient été plus utiles si elles avaient été davantage réparties. Mais la réponse à cette critique, apportée par la lecture du rapport, est très intéressante. Elle montre que les grands équipements et les moyens de calcul associés sont, dans pratiquement tous les domaines, et notamment en biologie, devenus indispensables pour approfondir les connaissances. Mais pour assurer leur plein-emploi, il convient d'éviter qu'ils ne fonctionnent en circuit fermé. A cette fin, le rapport insiste sur la nécessité de mettre en réseau des laboratoires et entreprises de toutes natures, utilisatrices de ces équipements. Ces réseaux permettent d'une part de partager des ressources informatiques ou des expérimentations. Mais ils permettent aussi, grâce aux bases de données scientifiques qui en sont un des fondements, de généraliser d'autre part la diffusion des résultats ou celle des questionnements.

Quels enseignements les pays européens devraient-ils tirer de la prise de connaissance de ce programme?
Le premier réflexe sera de se dire que si les Etats-Unis se donnent le mal de réaliser les équipements, et s'ils ouvrent ceux-ci à des équipes étrangères, pourquoi réinventer l'eau chaude. Ce raisonnement serait admissible si les équipements en question relevaient d'un véritable financement international, avec une égale responsabilité dans leur gestion et leur utilisation. On sait que ce n'est et que ce ne sera pas le cas. Mieux vaut alors consentir à des doubles-emplois dans les équipements (voire des triples-emplois dans la mesure où l'Asie voudra aussi disposer de ses propres ressources). Cette situation n'a pas que des inconvénients. Elle permet une compétition entre équipes et encourage par ailleurs des échanges, mais ceux-ci alors sur un pied d'égalité et non de dépendance ou de sous-traitance. C'est ce que l'on constate par exemple dans le domaine des synchrotrons ou celui, tout différent, des grands observatoires astronomiques.

Ce raisonnement, valable à l'échelle de grands ensembles géopolitiques, n'a plus de sens quand ce sont des nations moyennes comme les nôtres qui sont concernées. Il serait absurde en Europe (sauf si vraiment on ne pouvait pas faire autrement), de dupliquer des investissements lourds dans chacun des pays membres de l'Union. L'Europe ne pourrait peser face aux investissements scientifiques américains qu'en fédérant ses efforts.

Si on admet cela, les Européens se trouvent à nouveau confrontés à la question de savoir qui peut décider d'une politique scientifique ambitieuse et de l'affectation des crédits correspondants. Manifestement, aux Etats-Unis, il s'agit d'une compétence fédérale. L'Europe pourra difficilement échapper à la mise en place d'autorités de type fédéral dans les domaines considérés, fortement soutenus par les gouvernements nationaux. La réalisation des programmes pourra ensuite être confiée à des Agences du type de l'ESA ou du CERN, dont la réputation d'excellence n'est plus à faire.


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