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Infrastructure

Un bond vers plus de brillance

Un projet de source de lumière synchrotron de dernière génération en phase de conclusion pourra améliorer la qualité de la recherche brésilienne

Détail d’un ondulateur, ensemble d’aimants forçant les électrons à circuler à l’intérieur de l’anneau de stockage pour produire de l’énergie sous la forme de lumière synchrotron

Léo Ramos Chaves, de Campinas, São Paulo

Il était 6 heures du matin ce jeudi 17 mai, quand l’ingénieur électricien Sergio Marques décida de se dégourdir les jambes et de puiser des forces dans une tasse de café supplémentaire. Il reprendrait ensuite les mesures que son équipe effectuait depuis le début de la semaine, parfois 24 heures d’affilée, avec le groupe de recherche de la physicienne brésilienne Liu Lin. Sergio Marques et Liu Lin, chercheurs au Laboratoire National de Lumière Synchrotron (LNLS), à Campinas, dans l’intérieur de l’état de São Paulo, testaient les composants d’un accélérateur linéaire d’électrons acheté pour la somme de 6 millions de dollars US à l’Institut de Physique Appliquée de Shanghai, en Chine. L’appareil installé depuis quelques semaines dans un tunnel de 32 mètres de long et protégé par des murs en béton projette à chaque demi-seconde des paquets microscopiques composés de trillions de cette particule de charge électrique négative à des vitesses proches de celle de la lumière. Il alimentera le plus grand, le plus complexe et le plus versatile instrument de recherche jamais construit dans le pays et appelé Sirius, une source de lumière de dernière génération émettant un rayonnement synchrotron, un type spécial de lumière qui permet d’étudier la structure de la matière à l’échelle atomique et moléculaire.

Le Sirius est en cours de fabrication depuis 2014 dans le Centre National de Recherche en Énergie et Matériaux (CNPEM), à 15 kilomètres de Campinas, et devrait être prêt pour un premier test d’ici la fin de l’année si les fonds sollicités il y a quelques mois auprès du gouvernement fédéral sont approuvés et débloqués rapidement. La nouvelle source de lumière synchrotron est un accélérateur de particules composé de trois parties installées dans un bâtiment de 68 000 m² devant être le plus isolé possible des variations de température et des vibrations extérieures, comme celles produites par la circulation des camions sur la route reliant Campinas à Mogi-Mirim et qui passe à 2 kilomètres de là.

Le Sirius, qui a été projeté par les équipes du LNLS, remplacera l’UVX, première source de lumière synchrotron de l’hémisphère sud construite dans les années 90 et aujourd’hui dépassée. Environ 90 % de ses pièces ont été mises au point ou dessinées dans les ateliers du LNLS et sont fabriquées par des entreprises brésiliennes de haute technologie. L’accélérateur linéaire est une exception. « Pour des questions de délai, nous avons commandé un appareil avec des spécifications de très haut niveau aux chercheurs de Shanghai qui avaient mis au point une source de lumière de troisième génération, avant Sirius, et ils nous ont fourni des informations sur la plupart des parties de l’accélérateur », explique Marques, qui a commencé à travailler sur l’UVX en 1997, à l’âge de 16 ans, et qui dirige le groupe de diagnostic du LNLS chargé du contrôle du faisceau d’électrons et de la qualité de lumière synchrotron qui arrivera aux stations expérimentales.

Quand le Sirius sera totalement opérationnel, même pour un temps limité, ce sera la source de lumière synchrotron la plus avancée au monde et également celle offrant la plus grande luminosité dans le faisceau des rayons X de sa classe d’énergie. Pour simplifier, cela signifie que l’accélérateur permettra d’extraire des électrons voyageant à pratiquement 300 000 kilomètres par seconde sous la forme de faisceaux très concentrés d’une lumière qui pénètre profondément même dans les matériaux les plus denses, comme des roches, et permet d’obtenir des images nettes de points séparés par à peine quelques nanomètres (millionième de millimètre). Sa luminosité intense diminuera en quelques secondes le temps d’obtenir les images des échantillons, essentielles à l’étude de matériaux biologiques qui se dégradent rapidement. La réduction de la durée d’obtention de chaque image devrait permettre d’en obtenir davantage par seconde et de reconstituer le mouvement de phénomènes atomiques et moléculaires très rapides, comme l’interaction entre deux composés ou le déplacement des ions dans la charge et la décharge de batteries.

Glaucius Oliva/ IFSC-USP Structure tridimensionnelle de la protéine NS5 du virus Zika, définie atome par atomeGlaucius Oliva/ IFSC-USP

La qualité de résolution du Sirius sera supérieure à celle des sources de lumière synchrotron de troisième génération, comme l’appareil actuel de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), en France, où la chercheuse israélienne Ada Yonath a mené une partie des expérimentations qui ont défini la structure tridimensionnelle du ribosome, organite producteur de protéines dans les cellules, et qui lui ont valu le Prix Nobel de Chimie en 2009. Les images du Sirius devraient également avoir une résolution mille fois supérieure à celle de l’UVX, une source de deuxième génération qui même en étant dépassée, a permis à l’équipe du physicien Glaucius Oliva, professeur à l’université de São Paulo (USP) à São Carlos, d’identifier la structure dimensionnelle de la protéine NS5, essentielle à la reproduction du virus Zika.

On espère aller plus loin avec le nouvel appareil de Campinas et identifier la structure tridimensionnelle de protéines plus grandes et plus complexes présentant un intérêt pour la biologie et l’industrie pharmaceutique, outre l’étude de matériaux ayant un intérêt pour l’industrie. « Le projet Sirius est à la frontière de ce que l’ingénierie est actuellement capable de construire et il sera en mesure de produire une science compétitive sur le plan international pour au moins une décennie », affirme le physicien Antônio José Roque da Silva, directeur du LNLS et du projet Sirius. Antônio José Roque da Silva est professeur à l’USP et spécialiste en modélisation mathématique de matériaux à l’échelle atomique. Il est arrivé au LNLS en 2009 avec deux missions : améliorer l’UVX qui était dépassé et commençait à perdre ses usagers et ses spécialistes au profit d’institutions étrangères, et faire avancer le projet de construction de son successeur. Le nom Sirius surgira plus tard, emprunté à l’étoile la plus brillante du ciel nocturne.

Renan Picoreti – Diffusion LNLS/ CNPEM Image aérienne du bâtiment qui abrite le projet Sirius, prise au mois de juinRenan Picoreti – Diffusion LNLS/ CNPEM

José Roque a dès le départ fait appel à deux anciens collaborateurs du LNLS, l’ingénieur civil Antonio Ricardo Droher Rodrigues, l’un des trois Brésiliens qui ont dirigé la construction de l’UVX de 1987 à 1997, et le physicien français Yves Petroff, qui a dirigé des laboratoires de lumière synchrotron en France et participé au projet de la première source de lumière brésilienne. « L’UVX n’était plus en mesure de rivaliser avec ses concurrents et nous avons choisi de nous concentrer sur des niches dans lesquelles nous pourrions produire des travaux importants, comme l’utilisation du rayonnement infrarouge et ultraviolet », déclare José Roque. Dans le même temps, le trio a perfectionné le projet d’une source de lumière de troisième génération élaboré par l’équipe du physicien José Antônio Brum, qui a dirigé l’Association Brésilienne de Technologie de Lumière Synchrotron (ABTLuS), actuel CNPEM, de 2001 à 2009. Une fois le projet parvenu à maturité, trois ans plus tard, José Roque et son équipe l’ont soumis à un comité scientifique international. Les membres du comité ont déclaré dans leur rapport final que le dessin de la nouvelle source était excellent pour les normes de l’époque, mais ils ont recommandé de rechercher un niveau de luminosité qui deviendrait une référence dans l’avenir. « Il n’y avait pas encore dans le monde d’appareils fonctionnant avec les caractéristiques qu’ils suggéraient », se rappelle José Roque ce matin du 17 mai, dans sa salle du LNLS. « C’était une chance de pouvoir se démarquer et de nous placer pendant un certain temps devant les États-Unis, le Japon et les pays européens ».

Les équipes du LNLS se sont alors remises au travail et ont repris les tests sur les équipements. Liu Lin, chargée de la physique des accélérateurs au LNLS et son groupe, ont redessiné le réseau magnétique du Sirius pour que sa luminosité dépasse celle des équipements existants. Six mois plus tard, le comité a approuvé le nouveau projet budgété à 585 millions de dollars US (à l’époque, 1,3 milliard de reais BRL). L’obtention d’un financement durable était fondamentale, mais ce n’était qu’une partie du problème. « Il a fallu trouver un emplacement pour la construction et définir les caractéristiques du bâtiment pendant que nous redessinions l’appareil tout en recherchant des solutions à des questions technologiques », explique José Roque. « Il y a eu des moments où nous avons dû jongler avec 20 assiettes ».

Les premiers 9 millions de reais BRL obtenus pour le préprojet ont été financés entre 2009 et 2010 par le Ministère des Sciences et Technologie (MCT) sous le mandat (2005-2010) du physicien Sergio Rezende, qui avait pris connaissance du projet de Brum en 2008. Il manquait cependant une source de financement définitive, qui, dans un premier temps, serait fournie par le MCT (actuel MCTIC, après avoir absorbé les Innovations et les Télécommunications), la Banque Nationale de Développement Économique et Social (BNDES) et par des agences de financement. Deux autres ministres se sont succédés à la tête du ministère et ont investi 77 millions de reais BRL dans le projet jusqu’à ce qu’en 2014, l’ingénieur Clélio Campolina Diniz donne son feu vert pour le démarrage des travaux et propose un budget de 240 millions de reais BRL pour 2015. Le projet Sirius a été inclus dans la deuxième édition du Programme d’Accélération de la Croissance (PAC) l’année suivante, et fait aujourd’hui partie du Programme Avançar.

Les variations du dollar, l’inflation et les améliorations apportées à la source de lumière et au bâtiment ont élevé le coût du Sirius à 1,8 milliard de reais BRL. « C’est le seul projet brésilien de cette envergure qui n’ait pas souffert de retards importants », affirme l’ingénieur en électronique et physicien Rogério Cezar de Cerqueira Leite, président du Conseil d’Administration du CNPEM, organisation sociale liée au MCTIC, gestionnaire du LNLS.

Léo Ramos Chaves Ci-contre, des aimants quadruples, l’un des composants de l’anneau de stockageLéo Ramos Chaves

Pedro Wongtschowski, ingénieur chimiste qui a présidé le Conseil d’Administration du CNPEM de 2010 à 2015, attribue la tenue du calendrier et le respect du budget à l’adoption d’un modèle de gouvernance utilisé dans des projets de grande envergure par le secteur privé. « Les travaux n’ont commencé qu’après la conclusion détaillée du projet exécutif, à travers un appel d’offres minutieux et les premiers équipements achetés ont été ceux qui exigeaient un plus grand délai de livraison », dit-il. « Nous avons également profité de l’implantation du Sirius pour développer des composants avec des fournisseurs nationaux, étape qui a bénéficié du soutien de la FAPESP », déclare Wongtschowski, actuel président du Conseil d’Administration du groupe Ultrapar Participações et membre du Conseil Supérieur de la FAPESP.

Du coût total prévu, 1,16 milliard de reais BRL ont déjà été versés par le MCTIC, dont 760 millions de reais BRL sous le mandat de Gilberto Kassab qui a eu un rôle fondamental dans l’implantation de l’UVX dans les années 80, explique Cerqueira Leite. Selon lui, le Sirius a survécu à la crise économique récente car il est parvenu peu à peu à mobiliser, outre ses inspirateurs et la communauté scientifique, « les autorités et les responsables politiques de Brasília ».

Il y a quelques années, deux chercheurs qui ont analysé le processus de création et l’implantation de l’UVX sont arrivés aux mêmes conclusions. Léa Velho, professeure au Département de Politique Scientifique et Technologique de l’Université Publique de Campinas (Unicamp), et Osvaldo Frota Pessoa Junior, professeur au Département de Philosophie de l’USP, ont analysé les arguments qui ont motivé la construction du premier synchrotron brésilien et les négociations qui lui ont permis de voir le jour. Dans un article publié en 1998 dans la revue Social Studies of Science, ils ont déclaré que le projet a été davantage soutenu par les secteurs politico-scientifiques que par les chercheurs et les usagers potentiels. Ils affirment également que l’habileté politique des rares scientifiques investis dans ce projet a été cruciale pour sa mise en œuvre.

Léo Ramos Chaves L’ingénieur Rafael Seraphim mène des tests sur le système sous vide des cavités qui conduiront les électronsLéo Ramos Chaves

« Le projet Sirius est une tentative visant à donner un nouvel élan qualitatif à la science nationale », constate le physicien argentin Aldo Craievich, qui, à 79 ans et retraité de l’USP, mène encore des recherches avec l’UVX. Il fait partie du trio qui a coordonné la construction du premier synchrotron national avec les physiciens Cylon Gonçalves da Silva et Ricardo Rodrigues.

Le projet d’installer dans le pays un équipement pour faire de la science à grande échelle, la Big Science, qui a débuté aux États-Unis au cours de la deuxième guerre mondiale avec le projet de la bombe nucléaire, est né dans le Centre Brésilien de Recherche Physique (CBPF), à Rio de Janeiro, au début des années 80 avec le physicien Roberto Leal Lobo e Silva Filho. Soutenu par Lynaldo Cavalcanti de Albuquerque, alors président du Conseil National de Développement Scientifique et Technologique (CNPq), Roberto Leal Lobo a conduit le projet jusqu’au début du gouvernement démocratique, en 1985. Lors de la création du MCT, il a été remplacé par Cylon Gonçalves qui avait le soutien du ministre Renato Archer.

« Quand la décision de construire la première source de lumière synchrotron a été prise, le seul modèle de fonctionnement sensé était celui d’un laboratoire national calqué sur les modèles nord-américains et ouvert à tous les usagers appartenant à des instituts de recherche et des entreprises brésiliennes et étrangères », déclare Cylon Gonçalves. « La construction de l’appareil n’était qu’un simple prétexte pour former des personnes qualifiées afin de créer une base technologique dans le pays et produire une science de pointe. Nous y sommes parvenus en choisissant de projeter et de construire le maximum de choses chez nous et qui nous a fourni l’expertise nécessaire utilisée dans le projet Sirius ».

Léo Ramos Chaves Hall où sera installé une partie des stations expérimentales du projet SiriusLéo Ramos Chaves

La construction d’équipements pour faire de la science à grande échelle requiert un flux continu d’investissements, des compétences techniques et scientifiques et est souvent une source de conflits. Ce fut le cas avec l’UVX et, à une moindre échelle, avec le projet Sirius. Quand le projet de la première source nationale de lumière synchrotron a été approuvé, la direction de la Société Brésilienne de Physique a publié un manifeste contraire au projet. Elle affirmait que le pays ne possédait pas les compétences nécessaires pour le construire, qu’il n’y aurait pas d’usagers et que cela absorberait les ressources destinées à d’autres secteurs scientifiques et technologiques. « Aucune de ces prévisions ne s’est vérifiée », rappelle Rodrigues, coordonnateur de l’accélérateur du projet Sirius. « Nous avons construit une machine, les usagers ont été au rendez-vous, 6 200 sont actuellement enregistrés et le niveau de financement a augmenté dans tous les secteurs ».

« Des installations de grande envergure comme le projet Sirius sont onéreuses dans le monde entier mais sont amorties avec le temps », affirme Fernanda De Negri, économiste à l’Institut de Recherches Économiques et Appliquées (Ipea). Son coût s’élève à 0,05 % du budget public brésilien qui s’élève à 3,5 trillions de reais BRL. « Des infrastructures de cette nature sont nécessaires dans de nombreux secteurs pour produire une science de qualité en mesure d’innover et de rendre le pays économiquement plus compétitif », déclare la chercheuse qui a lancé au mois de juin le livre intitulé Novos caminhos para a inovação no Brasil (Nouvelles voies pour l’innovation au Brésil – Édition Wilson Center), dans lequel elle mentionne le projet Sirius comme un rare exemple de planification scientifique de long terme dans le pays.

« Depuis le projet de la bombe atomique et la mission Apollo, la science ne se fait plus avec de petits investissements et une vision à court terme », constate Glauco Arbix, professeur au Département de Sociologie de l’USP. « Il faut avoir une vision à moyen et long terme et irriguer le système de manière à alimenter les petits laboratoires et créer des projets d’envergure sur le plan scientifique, économique et social, en mesure d’élever le niveau de la science brésilienne et d’augmenter ses retombées », plaide Glauco Arbix, qui a présidé l’Agence de Financement d’Études et de Projets (Finep) de 2011 à 2015, organisme qui soutient l’innovation fédérale. « Sans cela, le pays continuera à faire du sur-place ».

Article scientifique
VELHO, L. e PESSOA JR., O. The decision-making process in the construction of the Synchrotron Light National Laboratory in Brazil, Social Studies of Science, v. 28, n. 2, pp. 195-219, abr. 1998.

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