Brevet FR3112771A1 — publié le 20220128

PROCEDE DE FABRICATION D’UN PRODUIT REFLECHISSANT A PARTIR DE SABLE NATUREL Ce procédé de production permet de fabriquer un produit réfléchissant la lumière visible par traitement thermique de grains de sable naturel de diamètre inférieur à 1 mm. Les grains de sable sont chauffés au moyen d’une source d’énergie jusqu’à une température au moins égale à leur température de fusion. Le produit obtenu est ensuite refroidi puis poli. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 procédé de fabrication d’un produit réfléchissant à partir de sable naturel DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un produit réfléchissant et à l’utilisation de ce produit pour des miroirs optiques. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Plus précisément, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un produit réfléchissant à partir de sable contenant majoritairement de la silice, comme du sable naturel, et de faible granulométrie, et à sa mise en œuvre dans des systèmes optiques catoptriques ou catadioptriques. Dans le domaine de la fabrication des miroirs, il est connu de polir des matériaux avec une substance abrasive de grain contrôlé pour obtenir un « poli miroir », afin d’obtenir une réflexion spéculaire dans la gamme de longueurs d’onde dans laquelle le miroir est exploité. Différentes familles de matériaux sont utilisées dans le domaine de la fabrication des miroirs. On peut ainsi citer les vitrocéramiques - notamment utilisées après un polissage de haute précision pour constituer les segments de miroirs des télescopes géants, les verres borosilicates, les verres sodocalciques ou encore la silice fondue. Dans ce dernier cas, de la silice de pureté élevée est fondue pour obtenir un matériau transparent dans une gamme très large de longueurs d’ondes, de l’ultraviolet à l’infra-rouge. Tous ces matériaux sont utilisés comme substrat du fait de leurs propriétés mécaniques et thermiques, notamment leur coefficient de dilatation thermique. Le substrat, après polissage, est recouvert d’un revêtement métallique d’épaisseur contrôlée ou encore d’un revêtement diélectrique, qui jouera réellement le rôle de surface réfléchissante. Il est aussi connu de fabriquer des miroirs essentiellement métalliques, voire semi-métalliques, par polissage mécanique et/ou chimique. Par exemple, dans le domaine des cavités laser, des miroirs en cuivre ou en silicium sont couramment mis en œuvre. Les matériaux cités ci-dessus présentent l’inconvénient d’être coûteux et/ou de nécessiter des étapes chimiques de synthèse polluantes. En conséquence, l’invention vise à utiliser comme matériau de départ le sable du désert, peu coûteux et disponible à grande échelle, et un procédé de fabrication ne comportant pas d’étapes chimiques, donc peu polluant et simple à mettre en œuvre, incluant une étape de traitement thermique. Ainsi, l’invention se rapporte à un procédé de production par traitement thermique d’un produit susceptible de réfléchir la lumière visible. Ce procédé utilise comme matériau de départ des grains de sable naturel de diamètre inférieur à 1 mm ainsi qu’une source d’énergie permettant que les grains de sable soient chauffés jusqu’à une température au moins égale à leur température de fusion. Le produit obtenu est ensuite refroidi, puis poli. Grâce à ces dispositions, il est possible d’exploiter industriellement du sable de faible granulométrie pour obtenir un produit réfléchissant la lumière visible. Selon différents aspects, il est possible de prévoir l’une et/ou l’autre des dispositions ci-dessous. Selon une réalisation, la source d’énergie est une source de lumière, dont la lumière est focalisée au moyen d’un système optique centré. Selon une réalisation, la source de lumière est le Soleil. Cette disposition permet notamment d’exploiter d’une source d’énergie lumineuse gratuite. Selon une réalisation, le polissage est obtenu par des étapes uniquement mécaniques. Cette disposition permet de limiter la pollution chimique associée à la production du produit réfléchissant, ainsi que de contrôler le coefficient de réflexion du produit final. Selon une réalisation, le sable naturel est du sable provenant d’une zone désertique de la surface de la Terre. Le sable de la plupart des déserts est en effet du sable fin, c’est-à-dire de granulométrie faible, et disponible en grandes quantités, dans des zones de fort ensoleillement et inhospitalières. Cette disposition rend le procédé économiquement et écologiquement avantageux. Selon une réalisation, le produit obtenu est utilisé pour constituer la surface réfléchissante d’un miroir optique, exploité en lumière visible. Selon une réalisation, il est possible de constituer un système optique catoptrique ou catadioptrique dont la surface réfléchissante de l’un au moins des miroirs est formé du produit réfléchissant obtenu par le procédé décrit précédemment. Selon une réalisation, une pluralité de facettes réfléchissantes obtenues par le procédé décrit précédemment sont disposées sur une surface telle qu’un paraboloïde de révolution, une sphère, ou toute autre surface pour obtenir un miroir parabolique, un miroir sphérique ou tout autre type de miroir. Selon une réalisation, des éléments réfléchissants produits selon le procédé de fabrication décrit précédemment constituent les réflecteurs d’un dispositif concentrateur de la lumière solaire. Des modes de réalisation de l’invention seront décrits ci-dessous par référence aux dessins, décrits brièvement ci-dessous : représente un système optique focal centré avec un creuset contenant du sable placé à proximité du foyer principal image du système optique. représente les coefficients de réflexion obtenus en fonction de l’origine géographique du sable de départ. Sur les dessins, des références identiques désignent des objets identiques ou similaires. DESCRIPTION DETAILLEE Le matériau de départ utilisé dans le procédé de fabrication du matériau réfléchissant est du sable d’origine naturelle dont les grains sont approximativement sphériques et le diamètre des grains est inférieur à 1 mm. Il peut par exemple s’agir de sable du désert, notamment du sable du Sahara, mais d’autres origines géographiques sont envisageables. Ce type de sable est largement disponible, en particulier dans les nombreuses zones désertiques, et la surface de ses grains est différente de celles des grains de sable marin, qui est utilisé comme matière première dans la construction, pour le béton ou le mortier notamment. La granulométrie du sable du désert et sa composition dépendent de la roche mère dont il est issu et de la distance du lieu de prélèvement à la roche mère. Les sables des différents déserts présentent toutefois le plus souvent des grains de petite taille. Ainsi, à titre d’exemple, les grains de sable du Sahara sont pratiquement sphériques, le diamètre des plus gros grains de ce sable est de l’ordre de 0,5 mm et il contient plus de 95 % de silice en masse. On estime que 95% du sable présent dans les déserts ne peut pas être exploité dans le domaine de la construction parce que ses grains, polis par le vent et les frottements de manière plus fine que les grains de sable marin, présentent une surface trop lisse pour pouvoir correctement s’agréger. Dans le mode de réalisation décrit ici, il n’est pas nécessaire de contrôler précisément la granulométrie du sable utilisé, à la différence du domaine de la construction. Il est toutefois possible d’effectuer un tamisage du sable avant son utilisation dans le procédé pour éliminer les grains de sable dont le diamètre serait trop important. Un tamis dont la dimension caractéristique de la maille est 1 mm a été mis en œuvre pour préparer les sables de départ pour l’obtention de la courbe représentée à la . L’étape de tamisage permet entre autres d’obtenir une meilleure homogénéisation de la température et des propriétés du matériau tout au long du procédé. Une quantité appropriée de sable naturel 4 de granulométrie adaptée est placée dans un creuset 3 pour fusion à haute température. Le creuset peut notamment être en céramique. La forme du creuset 3 peut être librement adaptée. Le creuset est par exemple cylindrique ou parallélépipédique. Dans la mesure où le sable fondu mouille le creuset, il n’est pas possible de l’en extraire ; la forme du creuset est donc choisie de préférence pour que sa manipulation soit aisée lors de l’étape de polissage qui sera décrite au paragraphe 46. La fusion du sable peut être obtenue par tout procédé courant pour l’homme du métier. Ainsi, un chauffage dans un four alimenté par une source d’énergie appropriée, comme un four électrique, et permettant d’obtenir une température suffisante pour cette fusion peut être mis en œuvre. Différents critères peuvent gouverner le choix de la source d’énergie. Le chauffage électrique permet par exemple de contrôler finement la montée en température. Le chauffage à partir d’une source d’énergie lumineuse telle que le Soleil permet de réduire les coûts de production. Dans un mode de réalisation, le chauffage est obtenu au moyen d’un système optique focal centré 1, éclairé par une source de lumière parallèle d’intensité lumineuse suffisante. Le système optique 1 est un système optique centré focal, qui permet de focaliser la lumière issue d’une source lumineuse à l’infini dans son plan focal image 6. A titre d’exemple, le système optique 1 peut être constitué d’une lentille de Fresnel ou d’un miroir parabolique, ou tout autre système optique utilisé dans les dispositifs de type four solaire ou centrale solaire. La donne un exemple d’un tel système optique, formé de portions d’anneaux paraboliques coaxiaux et réfléchissants. Un système optique centré catoptrique permettra en général d’obtenir un meilleur rendement énergétique. En particulier, les pertes par absorption seront plus faibles que pour un système dioptrique. Le creuset est placé à proximité du plan focal image du système optique focal centré 1, de façon à ce qu’au moins une partie du sable naturel se trouve dans le plan focal image 6 du système optique. Le positionnement du creuset 3 peut être contrôlé avec précision par exemple avec des moteurs pas-à-pas. Pour assurer le déplacement des différentes pièces mécaniques mobiles, le dispositif peut être alimenté par l’intermédiaire de panneaux photovoltaïques, de batteries ou de toute autre source d’énergie appropriée. Le système optique 1 est éclairé par une source de lumière visible formant un faisceau de lumière parallèle 5. Par exemple, le système optique est orienté de manière à ce que l’image du Soleil se forme en son foyer image principal 2. La lumière solaire est gratuite et largement disponible dans les déserts, donc au même endroit que le sable du désert. Le Soleil sera en conséquence utilisé comme source d’énergie lumineuse dans la mesure du possible, mais toute autre source de lumière fournissant une puissance suffisante peut être envisagée. Un dispositif mécanique permettant d’orienter automatiquement l’axe optique du système optique en permanence dans la direction du Soleil peut être inclus. Grâce au système optique 1, la lumière solaire est concentrée à proximité du point focal image 2 du système optique. En conséquence, la température atteinte autour de ce point peut être relativement élevée, et atteindre la température de fusion du sable du désert. Typiquement, la température doit dépasser 1500°C, voire 1700°C. Cette valeur dépend naturellement de la composition chimique du sable utilisé. Le sable de départ est alors fondu intégralement. Les moteurs pas-à-pas peuvent être utilisés à ce stade pour obtenir par une agitation contrôlée une température le plus homogène possible dans l’ensemble de l’échantillon de sable placé dans le creuset. Le creuset est ensuite déplacé hors de la zone éclairée, pour être refroidi à l’air libre. Après refroidissement, le produit obtenu est essentiellement constitué de silice SiO 2 , comme le matériau de départ, puisque seule une transformation physique a été mise en œuvre. Les propriétés physiques du produit final sont différentes de celle du matériau de départ : le produit obtenu après refroidissement n’est plus granulaire mais forme un bloc compact, opaque et ayant l’avantage de réfléchir partiellement la lumière visible au sens de la réflexion spéculaire. Dans le cas où l’on souhaite obtenir un miroir plan, le creuset est maintenu immobile pendant la durée du refroidissement, de manière à ce que la surface supérieure du produit final soit approximativement identique à la surface libre du sable fondu. Pour améliorer le coefficient de réflexion du matériau obtenu pour la lumière visible, le matériau est ensuite soumis à une ou plusieurs étapes de polissage sans être extrait du creuset. A titre d’exemple, le polissage peut être mécanique. Le temps de polissage et les abrasifs successifs utilisés dépendent de la qualité optique souhaitée pour le matériau réfléchissant. Ils sont notamment choisis pour obtenir le coefficient de réflexion de la lumière visible souhaité. Ainsi l’inventeur a constaté que pour un miroir plan obtenu après polissage mécanique du matériau refroidi avec des disques de polissage, en présence d’eau et d’un abrasif diamanté dont les grains ont une taille de l’ordre de 0,1 mm, le coefficient de réflexion d’un faisceau de lumière blanche parallèle sous un angle d’incidence de 45°, c’est-à-dire le rapport de l’intensité lumineuse réfléchie et de l’intensité lumineuse incidente, dépend de la composition du sable de départ, notamment du taux de silice SiO 2 contenu dans le sable de départ, et peut atteindre des valeurs supérieures à 0,7 pour un sable de désert de couleur claire, comme le montre la courbe de la . Il est ainsi possible d’obtenir un miroir plan de dimensions définies par les dimensions du creuset utilisé. Plusieurs miroirs plans obtenus par le procédé peuvent être agencés sur une surface plus complexe pour former un miroir de plus grande taille. On peut ainsi envisager de constituer un miroir parabolique, un miroir sphérique ou tout autre type de miroir. Ces miroirs peuvent ensuite être utilisés pour constituer les éléments réfléchissants d’un nouveau concentrateur solaire, qui permettra de fabriquer d’autres éléments réfléchissants à partir de sable brut, qui pourront par exemple être mis en œuvre localement dans une centrale thermique solaire. L’invention présente donc l’avantage de permettre la production d’énergie dans le désert exploitant essentiellement des ressources locales comme source d’énergie mais aussi pour fabriquer une partie des composants nécessaires au fonctionnement de la centrale solaire, à savoir les miroirs. Procédé de production par traitement thermique d’un produit réfléchissant la lumière visible, utilisant comme matériau de départ des grains de sable naturel de granulométrie mesurée par tamisage à sec inférieure à 1 mm et une source d’énergie, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - lesdits grains de sable sont chauffés au moyen de ladite source d’énergie jusqu’à une température au moins égale à leur température de fusion - le produit obtenu est refroidi - le produit obtenu est poli. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source d’énergie est une source de lumière visible parallèle dont le faisceau lumineux est focalisé au moyen d’un dispositif optique focal centré. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que ladite source de lumière est le Soleil. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le polissage du miroir est un polissage mécanique. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit sable provient d’une zone désertique. Miroir optique dont la surface réfléchissante est formée uniquement du matériau réfléchissant produit par le procédé suivant l’une des revendications 1 à 5. Système optique contenant au moins un miroir selon la revendication 6, et notamment une pluralité de miroirs chacun selon la revendication 6. Miroir parabolique ou sphérique constitué de miroirs plans selon la revendication 6. Concentrateur solaire comportant des éléments réflecteurs produits par le procédé suivant l’une des revendications 1 à 5.