Le LabEx ∑-Lim « Des matériaux et composants céramiques spécifiques aux systèmes communicants intégrés, sécurisés, et intelligents » est une réponse au Programme d’Investissements d’Avenir (PIA), lancé par le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche, dans l’optique de promouvoir la croissance. Il vise à doter les laboratoires, ayant une visibilité internationale, de moyens pour rivaliser avec les laboratoires étrangers. Il aspire aussi à attirer des chercheurs et des enseignant.e.s‐chercheur.e.s de renom et à construire une politique intégrée de recherche, de formation et de valorisation de haut niveau.

Le LabEx ∑-Lim rassemble deux Unités Mixtes de Recherche de l’Université de Limoges IRCER – UMR CNRS 7315 et XLIM – UMR CNRS 7252. Il s’appuie également sur deux pôles de compétitivité, le pôle ALPHA – Route des Lasers & des Hyperfréquences et le Pôle Européen de la Céramique. Ce LabEx ∑-Lim cible quatre défis :

1. Aller au-delà de la 5G (« Going beyond 5G »)
2. Faire plus avec moins d’énergie (« Doing more with less energy »)
3. Apporter une nouvelle lumière sur la photonique (« bringing a new light to photonics »)
4. Promouvoir la santé grâce à des diagnostics et thérapies avancés (« Promoting health with advanced diagnostics and therapies »).

Cet article traite du 2^ème défi : faire plus avec moins d’énergie (« Doing more with less energy »).

Une meilleure utilisation de l’énergie devient essentielle afin de ralentir le réchauffement climatique et limiter notre dépendance aux énergies fossiles. Le flagship « faire plus avec moins d’énergie » aborde cette question sociétale à travers deux axes : un axe « dispositifs » portant sur l’étude et l’intégration de nouveaux dispositifs et matériaux dans certains systèmes ou sous-systèmes, ainsi qu’un axe « software » qui vise à minimiser la consommation énergétique de certains capteurs et réseaux de capteurs.

Ces réseaux de capteurs ont pour vocation d’être intégrés dans des villes (« smart cities »), dans des habitats durables ou encore dans des véhicules, conçus avec des matériaux performants en termes d’isolation, thermique notamment, et avec une empreinte carbone réduite. Il en découle deux défis : le premier concerne l’énergie et le développement durable tandis que le second se concentre sur les réseaux de capteurs et leurs intégrations.

Défi 1 : énergie et développement durable

Ce premier défi fait appel aux compétences d’IRCER – UMR CNRS 7315 pour ce qui concerne les matériaux et les procédés ainsi qu’à l’expertise d’XLIM – UMR CNRS 7252 pour l’intégration de ces matériaux dans des composants et systèmes optiques et électroniques ou des sources de puissance.

• Matériaux et systèmes à faible empreinte énergétique

Les recherches de ce défi ont pour prérequis le fait que les matériaux durables et ayant une empreinte carbone faible nécessitent moins d’énergie pour leur développement. Ainsi, l’éco-construction permet de trouver des solutions innovantes pour recycler et valoriser les déchets de construction et de démolition.

• Matériaux et systèmes en tant que vecteurs d’énergie

La carence en énergie fossile met l’hydrogène en première ligne des sources énergétiques du futur. Ainsi, le développement de nouveaux matériaux et de nouveaux systèmes pour la filière hydrogène (piles à combustible) sont majeurs. A l’échelle moléculaire, de nouveaux matériaux sont utilisés en tant que catalyseurs participants à la séparation de l’hydrogène à partir de l’eau. A l’échelle des systèmes les efforts porteront sur la mise au point, grâce à de nouveaux designs et l’utilisation de matériaux multifonctionnels, de réacteurs plus efficaces pour mener à bien ces réactions de production d’hydrogène.

• Faible empreinte carbone

La réduction de l’empreinte carbone est une des contraintes de la feuille de route pour réaliser les objectifs précédents : économie de matériaux en utilisant des technologies additives comme l’impression 2D/3D, utilisation de matériaux « verts » ou recyclés.

Défi 2 : gestion avancée de l’énergie

• Intégrer des matériaux reconfigurables dans les capteurs sans fils

Il y a une demande croissante en matériaux reconfigurables visant à être intégrés dans des dispositifs communicants de dernière génération. Ce sont des matériaux capables de changer d’état lorsqu’ils sont excités par la lumière, la chaleur ou des perturbations électriques. Moduler les performances d’un capteur sans fil permettrait de réduire leur nombre et leur taille.

• Intégrer et diversifier les sources d’énergies récupérables pour les réseaux de capteurs

Les micro panneaux solaires réalisés par impression permettent aujourd’hui d’autoalimenter de nombreux capteurs grâce à l’énergie solaire. Cette source d’énergie nécessite toutefois l’utilisation de micro-batteries en cours de développement. Il est également souhaitable de pourvoir diversifier les sources d’énergies issues de l’environnement, surtout en condition d’utilisation nocturne (par exemple récupérer l’énergie issue de sources de chaleurs environnante, du mouvement, des ondes électromagnétiques servant pour les télécommunications).

• Transmission de données sécurisées et économes (« hardware/software »)

D’après Gartner, première firme de recherche et de conseils en technologies de l’information dans le monde, le nombre d’objets connectés dépasse de près de trois fois le nombre d’habitant.e.s sur terre. Cela soulève un problème : la transmission des données consomme énormément d’énergie. Ainsi ce défi, étudie les manières de reconstruire le signal ou d’encrypter les mesures sans dépense énergétique supplémentaire. Le « Compressive Sensing » (CS) est une piste car il peut aussi bien coder que décoder. Toutefois, ce défi se projette au-delà de cette méthode et cherche des solutions dans la  reconstruction du signal lui-même.

Institut de Recherche XLIM UMR CNRS 7252

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Institut de Recherche sur les Céramiques – IRCER – UMR CNRS 7315

Contact IRCER