Laboratoires sphériques thermo-constants

Les Laboratoires sphériques thermo-constants (en allemand : Isothermische Kugellabore ou Thermokonstante Kugellabore, littéralement « laboratoires sphériques isothermes »), également désignés dans le langage populaire berlinois sous les surnoms d’« Adlershofer Busen » (« poitrine d’Adlershof ») ou « Akademiebusen » (« poitrine de l’Académie ») en raison de leur forme caractéristique, sont deux bâtiments de laboratoire sphériques érigés entre 1959 et 1961 sur le site de l’Académie des sciences de la RDA à Berlin-Adlershof, pour le compte de l’Institut de chimie physique (Institut für physikalische Chemie) de l’Académie allemande des sciences. Situés à l’angle de la Rudower Chaussee et de la rue Am Studio, ces deux ouvrages en béton armé sont considérés comme l’un des premiers exemples de la construction en coque de béton armé réalisée en RDA. L’idée du projet revient au physico-chimiste Peter Adolf Thiessen, fondateur et directeur de l’Institut de chimie physique de l’Académie des sciences de la RDA de 1956 à 1964, tandis que la conception architecturale a été confiée à Horst Welser, directeur du bureau d’études de nombreux autres bâtiments de l’Académie. Depuis 2001, les Laboratoires sphériques thermo-constants sont classés monument historique au titre du patrimoine architectural de Berlin (no 09076020). Contexte historique Dans la première moitié du XXe siècle, le quartier de Johannisthal et son aérodrome, ainsi que le quartier voisin d’Adlershof, constituaient le principal centre européen d’aviation et de recherche aéronautique. Après la Seconde Guerre mondiale, le site est repris par l’Académie allemande des sciences à Berlin (DAW), qui obtient dès 1949 la mise à disposition du terrain pour y implanter ses instituts de recherche. Au milieu des années 1950, la RDA cherche à développer les capacités de recherche nécessaires à son économie planifiée. Dans ce contexte, il est décidé de créer un Institut de chimie physique à Adlershof. Les premières discussions concernant la construction de l’institut et de son infrastructure ont lieu à Moscou en 1956, entre le physico-chimiste Peter Adolf Thiessen et l’architecte responsable du projet, Horst Welser. Les résultats des expériences menées dans les laboratoires sphériques devaient à l’origine servir aux applications de la recherche aéronautique et spatiale, dans le prolongement de la tradition scientifique du site. Concept Les salles thermo-constantes (ou isothermes) offrent la possibilité d’un réglage extrêmement précis de la température ambiante et de son maintien à un niveau constant. Elles permettent ainsi d’étudier et de suivre le « bilan thermique » de nombreuses réactions chimiques, c’est-à-dire de mesurer la chaleur émise ou absorbée par un système donné. La nécessité de créer de tels laboratoires isothermes à l’Institut de chimie physique de l’Académie découlait à la fois d’impératifs techniques (mesures thermochimiques de précision) et de la volonté d’y conduire la recherche fondamentale correspondante. Lors de la conception du département de thermochimie, plusieurs variantes de locaux ont été discutées. Les exigences fixées étaient les suivantes : une constance thermique de longue durée d’au moins 0,01 °C à une température ambiante de 20-22 °C ; l’absence de personnel humain dans la pièce pendant les mesures ; l’établissement de la constance thermique dans un délai maximal de 36 heures après la mise en place d’un dispositif expérimental. Les moyens techniques disponibles à la fin des années 1950 ne permettant pas encore une régulation active par climatisation, la solution retenue a privilégié l’isolation thermique passive du local, assurée par adiabasie. La forme sphérique s’est imposée car, pour un volume donné, la sphère présente la plus faible surface externe, minimisant ainsi les échanges de chaleur avec l’extérieur. Le choix de l’aluminium comme habillage se justifie par son excellente conductivité thermique, qui homogénéise la répartition de la chaleur en surface. Description architecturale et technique Structure générale Les deux sphères, jumelles, reposent chacune sur un anneau en béton armé soutenu par des piliers en V. Elles sont reliées entre elles par une passerelle-vestibule commune qui abrite des chambres de tranquillisation assurant la transition entre l’extérieur et les salles de mesure. La silhouette de l’ensemble évoque, selon les auteurs, une molécule d’H₂ (dihydrogène), interprétation à laquelle fait écho le surnom populaire d’« Akademiebusen ». Composition des parois Afin que la température intérieure demeure quasi constante (avec des variations de l’ordre de 0,01 °C seulement), un ingénieux montage multicouche a été mis au point. Pour chacune des deux sphères, la composition des parois est la suivante, de l’intérieur vers l’extérieur : Coque intérieure en béton armé d’un diamètre de 9 m et d’une épaisseur de 8 cm ; Point le plus bas de l’anneau situé à 1 m au-dessus du sol ; Sphère intérieure en Piatherm de 1 m d’épaisseur (mousse polystyrène à très faible conductivité thermique fabriquée à Piesteritz) ; Segments d’aluminium soudés de 5 mm d’épaisseur formant la finition intérieure ; Réseau de tuyauteries pour eau tempérée, disposé à l’extérieur de la sphère béton à des intervalles de 20 cm (à la manière des parallèles terrestres) ; Stabilisation du réseau par du béton projeté Couche d’isolation extérieure en mousse polystyrène (piatherm) de 20 cm d’épaisseur ; Peau extérieure constituée de segments soudés en aluminium pur de 5 mm d’épaisseur. L’ensemble des couches est monté en « pose flottante », c’est-à-dire sans ancrage entre elles, afin d’éliminer d’éventuels ponts thermiques. Une plateforme de travail intérieure repose sur une construction tubulaire (« sur pilotis ») indépendante de la coque, et un système d’apport d’air frais tempéré permet d’accélérer l’adaptation thermique. L’épaisseur totale du complexe mural avoisine ainsi les 125 cm. Pour la phase de construction, particulièrement complexe, un modèle d’essai de 1,5 m de diamètre avait été préalablement réalisé. Dimensions principales Maintien de la constance thermique Le concept initial prévoyait un maintien de la température par circulation de fluides caloporteurs (chauffage/refroidissement) dans un réseau de tuyauteries incorporé à la coque. Ce système s’est cependant révélé techniquement trop ambitieux pour les moyens de l’époque et n’a jamais été mené à son terme, pour des raisons à la fois techniques et économiques. Dans les cinq années suivant la mise en service, un compromis autonome a été développé en interne. Une régulation initialement provisoire, mise au point par Klaus Muscheites sous la direction de Horst Peters (alors responsable du laboratoire de thermochimie de l’Institut de chimie physique), est devenue la solution définitive. Le principe repose sur un ensemble chauffage/refroidissement fixé au plafond : à puissance de refroidissement constante, le chauffage est régulé électroniquement, en association avec quatre ventilateurs. Les performances atteintes étaient remarquables : dispersion des valeurs de température avec quatre personnes présentes dans le local : ±0,006 °C ; écart entre sol et plafond : inférieur à 0,05 °C. Utilisation Les sphères devaient à l’origine accueillir des expériences confidentielles de métallurgie destinées à l’industrie aéronautique et spatiale. La proximité de l’aérodrome de Johannisthal, berceau historique de la recherche aéronautique allemande, s’inscrit dans cette continuité, dont d’autres témoins subsistent dans le proche parc aérodynamique d’Adlershof. L’objectif d’un climat véritablement indépendant des variations extérieures n’a toutefois pas été pleinement atteint. On a supposé que la chaleur apportée par les techniciens présents dans les locaux entraînait une hausse notable de la température durant les heures ouvrées. À partir du milieu des années 1960 et jusqu’en 1993, les sphères ont donc été utilisées comme des salles de laboratoire ordinaires, dépourvues de ventilation et de lumière naturelle. Malgré ces difficultés, l’une des sphères a été utilisée pendant une période prolongée pour des recherches thermodynamiques. À température ambiante, le bilan thermique du durcissement d’alliages d’aluminium (de type « Duralumin ») a par exemple été étudié pendant plusieurs semaines, avec des gradients de température de l’ordre de quelques dixièmes de Kelvin. Une difficulté persistante durant l’exploitation fut l’amortissement des vibrations des instruments de mesure sensibles : les vibrations mécaniques provoquées par les poids lourds circulant sur la Rudower Chaussee toute proche se transmettaient à la structure porteuse sur pilotis. Avec l’évolution des priorités scientifiques du Zentralinstitut für physikalische Chemie (ZIPC) de l’Académie des sciences, les locaux thermo-constants ne furent plus utiles. L’une des sphères servit alors d’entrepôt, tandis que l’autre, exploitant sa coque extérieure d’aluminium mise à la terre (cage de Faraday naturelle), fut réutilisée comme laboratoire de mesures électroniques. Malgré l’exiguïté des lieux, les sphères ont également accueilli, à l’occasion, des tournois internes de skat et diverses festivités du personnel. Histoire Modèle:Chronologie La protection au titre des monuments historiques a été obtenue à l’initiative du professeur Karsten Peter Thiessen – fils de Peter Adolf Thiessen – avec la collaboration technique de Horst Welser, intervenant comme conseiller auprès de l’EGA (Entwicklungsgesellschaft Adlershof, société de développement d’Adlershof, prédécesseur de la WISTA Management GmbH), afin de préserver ce bâtiment unique d’une démolition alors envisagée. Statut patrimonial Les Laboratoires sphériques thermo-constants figurent depuis 2001 dans la liste des monuments historiques du Land de Berlin sous le numéro no 09076020, intitulé officiel : « Zwei Thermolabore des Instituts für Physikalische Chemie der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin » (Rudower Chaussee 11 / Am Studio, quartier de Treptow-Köpenick). Ils constituent, avec le proche Trudelturm et les infrastructures du parc aérodynamique, l’un des rares témoignages architecturaux préservés du site scientifique d’Adlershof, remarquable tant par son originalité formelle que par sa signification technique. Le monument est également répertorié dans la base internationale d’architecture #SOSBRUTALISM du Deutsches Architekturmuseum comme exemple emblématique de l’architecture brutaliste liée à la recherche scientifique de l’Est. Environnement actuel Les deux sphères sont aujourd’hui intégrées au sein du Technologiepark Adlershof (« Wissenschaftsstadt Adlershof »), l’un des plus importants pôles scientifiques et technologiques d’Allemagne, qui accueille notamment des instituts de la Humboldt-Universität, le Ferdinand-Braun-Institut, le Zentrum für Umwelt-, Bio- und Energietechnologie ainsi que le Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie avec son synchrotron BESSY II, établi sur le même site. Elles s’inscrivent dans le parcours patrimonial « Adlershofer Gedankengang » (« promenade des idées d’Adlershof »), qui propose plusieurs stations offrant un aperçu du patrimoine scientifique et industriel du site. Galerie Notes Piatherm était la marque d’un polystyrène expansé fabriqué dans les usines d’azote de Piesteritz (Allemagne de l’Est), caractérisé par une très faible conductivité thermique. Références Bibliographie (de) Karsten Peter Thiessen, Horst Welser : Die kugelförmigen Thermolabore des Instituts für Physikalische Chemie der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, dans Wissenschaftshistorische Adlershofer Splitter, WITEGA Forschung g. GmbH Adlershof (éd.), Berlin, 1996, p. 125–130, (ISSN 1434-1638). (de) Wissenschaftlich-technische Gesellschaft Adlershof WITEGA (éd.) : Zur Geschichte der Forschungsgemeinschaft der naturwissenschaftlichen, technischen und medizinischen Einrichtungen der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Adlershofer Splitter), vol. 1, 1996 et vol. 5, 1997, (ISSN 1434-1638). Zwischen Sonnenbad und Beton-Hohlkugeln, dans Wochenpost, no 43, 1959, p. 8. (en) Felix Torkar, Brutalist Berlin, Londres, Blue Crow Media, 2025. Voir aussi Articles connexes Peter Adolf Thiessen Horst Welser Académie des sciences de la République démocratique allemande Zentralinstitut für Physikalische Chemie Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie Technologiepark Adlershof Berlin-Adlershof Architecture brutaliste Coque (structure) Liste des monuments protégés du Land de Berlin Liens externes Laboratoires sphériques thermo-constants (Berlin-Adlershof, 1961) sur Structurae (de) Thermo-Kugellabore „Adlershofer Busen“ sur le portail du Technologiepark Berlin-Adlershof (de) Das Geheimnis der Silberkugeln, Berliner Woche, Adlershof, 1er mai 2016 (de) Kugellabore Berlin-Adlershof sur DDR-Design.com (de) Thermokonstante Kugellabore Berlin-Adlershof sur Architektur-Bildarchiv.de (de) Zwei Thermolabore des Instituts für Physikalische Chemie der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin – Fiche officielle du Landesdenkmalamt Berlin (en) Horst Welser: Isothermal Spherical Laboratories, 1959–1961 sur #SOSBRUTALISM (Deutsches Architekturmuseum) (en) Akademiebusen, Lost In Concrete sur Greyscape (en) Navigate your way around Brutalist Berlin sur The Spaces Portail de Berlin Portail de l’architecture et de l’urbanisme Portail de la chimie Portail de la guerre froide Portail de la protection du patrimoine