Le feu, Du phlogistique au propergol
Fleau ou source de vie?

Le feu! Terreur des hommes malgré de multiples tentatives d'apprivoisement, le feu marque l'histoire de l'humanité de longs sillons de braise et de cendre. Imprudences, inconsciences, actes volontaires de terrorisme social, accidents, les incendies naissent au hasard des folies ou des erreurs humaines. Le feu, maléfique ou bienfaiteur? Il court sur la terre depuis la nuit des temps.

Le feu a longtemps fait l'objet de croyances surnaturelles et de la frayeur originelle est né le mythe, fortement implanté dans la mémoire humaine. 400 000 avant J-C, l'homo-erectus a commencé à maîtriser le feu. On trouve les traces de ces premières domestications sur les sites de Torralba del Moral et d'Ambona en Espagne. Plus récemment découvert, les fouilles ont commencé en 1991, le site breton de Menez-Dregan à Plouhinec dans le Finistère, révèle une des plus ancienne trace de domestication du feu en Europe Occidentale. "Ce site appartient à une civilisation très mal connue, les Colombaniens" expliquent les chercheurs. Mais, pas plus que l'homo-erectus, l'homo-sapiens n'a su lutter contre la terreur inspirée par le feu, cette forme insaisissable de magie naturelle issue du néant! Foudre, dragons cracheurs de flammes, feu de la terre, feu du ciel et de l'imaginaire, crainte médiévale, le feu fut longtemps un mystère. Destructeur, purificateur le feu efface tout même l'image. Le bûcher de Jeanne d'Arc, ceux de l'inquisition, la crémation antique ou moderne sont autant d'exemples de cette puissance purificatrice du feu. Mais le posséder permet de se protéger, de forger des armes, d'en fabriquer de toujours plus meurtrières. "Il est le principe de toute chose" affirmait Héraclite au IVème siècle avant J-C, ajoutant que "Le soleil est une mitraille incandescente." Le feu grégeois, apparu à Byzance vers l'an 600, une composition incendiaire de souffre, de salpêtre, de résine, semait la terreur dans les flottes car il brûlait sur l'eau. Plus près de nous, Descartes (1596-1650) disait du feu qu'il était un "phénomène provoqué par mouvement de la matière subtile". Les anciens chimistes du XVIIème siècle avaient eux inventé le phlogiston, ou phlogistique, un fluide destiné à expliquer la combustion (!), et l'Allemand Johann Joachim Becher (1635-1682 - découvrit l'éthylène) fut le précurseur de cette théorie. C'est lui qui inventa le mot phlogisticum, du latin scientifique, à partir du grec phlogistos, inflammable. Son compatriote Georg Ernst Stahl (1660-1734), médecin et chimiste, travailla longuement sur la théorie du phlogistique. Il considérait que le feu est "comme un des matériaux ou principes de la composition des corps... le principe que les chimistes ont désigné par les noms de souffre, principe sulfureux, principe inflammable, terre inflammable... n'est autre que le feu même..., la vraie matière, l'être propre du feu". Une théorie que détruisit Lavoisier (qui découvrit notamment le rôle de l'oxygène dans la combustion). "Avant cet illustre chimiste on s'imaginait que les corps ne brûlaient qu'en laissant s'échapper un principe insaisissable auquel on donnait le nom de phlogistique ; d'où il suit qu'on devait regarder ces corps comme des combinaisons de phlogistique et de ceux que nous appelons aujourd'hui oxides ou acides" souligne Louis Jacques Thénard (1777-1857- découvrit le bore et l'eau oxygénée), collaborateur de Gay-Lussac. Dans le même temps le médecin et botaniste hollandais Hermannus Boerhavve donne du feu cette étonnante définition : "chose inconnue par ailleurs qui a la propriété de pénétrer tous les corps solides ou fluides et de les dilater de façon à leur faire occuper un volume plus grand". Les véritables débuts de la science de la combustion remontent à la fin du XIX ème siècle avec les expériences de Mallard et Le Chatelier (1850-1936 - créa l'analyse thermique). Notons également la célèbre expérience de Mayer et Joule permettant de mesurer l'équivalent mécanique de la calorie, une notion bien connue des lycéens (une calorie = 4,18 joules. On dit aujourd'hui une millithermie). Fasciné par les mystères du feu, l'homme jusqu'au début du XXème siècle est encore prisonnier de ses incertitudes et Gaston Bachelard, philosophe français (1884-1962), écrit sur le sujet une intéressante "Psychanalyse du feu" parue en 1938.

Le triangle du feu.

Les mythologies ou philosophies antiques ont généralement associé le feu aux autres éléments naturels, et c'est ainsi que l'eau, la terre, l'air et le feu sont les quatre éléments platoniciens. Le soleil aussi est souvent décrit comme une immense boule de feu. "Ce n'est pas du feu que l'on voit à la surface du soleil' précise Jean-Michel Most, chercheur du CNRS au Laboratoire de Combustion et Détonique à l'Université de Poitiers. "Le feu est, en principe, une réaction chimique entre l'oxygène de l'air et un matériau combustible tel qu'un hydrocarbure, du bois, un matériau plastique... Sur le soleil c'est tout simplement une augmentation de la température du matériau, le sol par exemple, due à une réaction nucléaire, qui rayonne dans certaines longueurs d'ondes de l'infrarouge". Sans présence d'oxydant et d'atmosphère, pas de feu possible. La planète Jupiter, qui possède seulement du combustible, ne connaît pas le feu. La terre elle, réunit toutes les conditions propices à son existence. "On parle du triangle du feu" explique Pierre Joulain, directeur de recherches au CNRS, expert européen. "C'est un terme consacré dû à un chercheur américain du nom d'Emmons, un scientifique très connu en combustion." Le triangle du feu est la réaction entre l'oxygène de l'air qui nous entoure et un ou plusieurs combustibles : charbon, pétrole, bois, matières plastiques, matières chimiques... "La mise en contact de l'air du ou des combustibles conduit rarement à la combustion sans apport d'énergie extérieure. Vous pouvez laisser un morceau de bois dans l'air, il ne s'enflammera pas". Mais aux situations "normales" la combustion se manifeste par l'apparition de la flamme. "La flamme est une émission lumineuse qui ne se produit qu'après allumage ou amorçage à l'aide d'une source d'énergie externe, allumettes, briquet... Le premier briquet consistait en deux morceaux de silex". Feu de l'enfer, feu d'artifices, feu du bien ou du mal, apocalypse ou purification, confort ou torture, source de progrès ou d'anéantissement, le feu n'est en fait qu'une "banale" réaction chimique.

Le feu dans l'espace

Mathématiques, physique, chimie s'associent afin d'explorer au mieux l'univers complexe du feu, cet "être social" imprévisible, toujours si prompt à se muer en grand prédateur dévoreur d'hommes, de ferraille et de béton. Rien ne lui résiste. Vulcain, dieu du feu et des forges chez les Latins (Héphaïstos pour les Hellènes), ne manque jamais de rappeler son pouvoir et sa puissance. Qu'elle vienne du ciel ou de la terre, la combustion se manifeste par l'apparition de la flamme et génère deux grandes manifestations : la déflagration et la détonation. La déflagration est la propagation de la flamme à basse vitesse, sans ondes de pression, l'effet thermique seul provoquant la destruction. Dans le cas de la détonation, la vitesse est supérieure à celle du son (340m/s dans l'air) et s'accompagne d'une onde de choc élevée, ainsi que d'une augmentation très rapide de la pression et de la température. L'effet thermique est toujours très important. On assiste à une augmentation de la pression et de la vitesse, et l'explosion développe considérablement la puissance dévastatrice. "C'est ce qui se passe lors d'explosions dans les silos à grains" explique Pierre Joulain. "On met en mouvement la poussière des grains, de petites particules d'amidon en suspension. La situation devient particulièrement dangereuse lorsque l'on vide le silo, car on crée un mélange où l'air et le combustible sont présents. Il suffit d'une étincelle de moteur électrique mal protégé pour déclencher la catastrophe. Le phénomène est identique en galerie de mine, où le grisou, le méthane, se mélangent à l'air". Les chercheurs axent leurs travaux sur ces paramètres primordiaux que sont la pression, la concentration et la température. Certaines expériences sur les flammes ont lieu en état d'apesanteur. Une communication de Pierre Joulain et José Torero souligne que l'absence des forces de flottabilité n'apparaît pas être le gage d'une sécurité accrue en matière d'incendie! "Il est largement admis" expliquent-ils "que la probabilité pour qu'un incendie se déclare dans un milieu clos même hautement sophistiqué, tel qu'un vaisseau spatial en orbite est loin d'être négligeable. Un accident de ce type aurait des conséquences si dramatiques, qu'il apparaît particulièrement important de connaître les caractéristiques de la combustion de matériaux combustibles dans un environnement à gravité réduite afin de limiter les risques et de prévoir les moyens de détection et de lutte adéquats". D'autres expériences permettent de visualiser, d'étudier le comportement des flammes en milieu industriel ou dans les lieux publics. Des études ont été menées concernant le métro parisien. Le feu dans un navire est un véritable casse-tête et la Marine Nationale mène des expérimentations très poussées. Les réactions secondaires, la fumée, sont la hantise de tous les responsables de sécurité contre l'incendie. La composition des produits, leurs concentrations déterminent les températures d'inflammation : "Si vous êtes à température ordinaire et que vous mettez de l'hydrogène dans l'air, vous savez qu'à partir de 4% ça va s'enflammer en présence d'une étincelle. Au-dessus de 74,5% ça ne s'enflamme plus" commente Pierre Joulain. La saturation en combustible empêche la réaction, mais d'autres phénomènes apparaissent dangereux pour l'homme ou l'environnement : "Si vous avez de l'hydrogène pur dans une pièce le feu ne démarre pas. Il faut un apport d'oxygène. L'acétylène par contre démarre à près de 100%". En basse température et à la pression atmosphérique, l'heptane a besoin de 80 secondes pour s'enflammer. A 727° il suffit de 25 millisecondes! Grands ravageurs d'espaces naturels, les incendies de forêts détruisent chaque année une surface égale à celle de Paris. Les laboratoires du CNRS de Marseille et du CEA à Cadarache, travaillent, en collaboration avec les responsables de la sécurité civile, sur des simulations de feux de forêts et sur la dynamique des fronts de flammes. Le milieu industriel utilise en permanence le pouvoir du feu. Producteur d'énergie ou grand dévoreur de matière, le feu ne détruit pas tout et favorise souvent la pollution atmosphérique. Si quelques résidus sont inoffensifs - certaines civilisations africaines utilisent les qualités de l'acide phosphorique des cendres du bois pour fabriquer du savon - plus graves sont les transferts de pollution dus aux imbrûlés évacués par les fumées d'usines d'incinérations d'ordures ménagères, ou par les cheminées de certaines industries. "Vous allez brûler des cochonneries comportant des métaux lourds, du plomb, du manganèse, par exemple. La fumée peut véhiculer des particules de suie, des particules métalliques. Quand vous fabriquez des polymères vous êtes bien obligés d'ajouter des additifs" commente Pierre Joulain. Qui dit centrales à charbon dit souffre, qui dit fuel dit oxyde d'azote, résidus carbonés... Comment traiter ce que le feu refuse de détruire? On sait bien aujourd'hui que les filtres les plus perfectionnés ne savent pas tout faire. Sans parler des multiples utilisations domestiques (chauffage central, gazinières, cheminées) et du moteur à explosion, une application de la puissance du feu particulièrement marquée par des montées en flèche de la pollution urbaine durant l'été 1995.

Lire dans les flammes

L'étude du feu et de la combustion est une science à part entière car elle fait appel à des recherches de base de références : la mécanique des fluides qui étudie les écoulements, la thermodynamique qui étudie les processus dans les changements énergétiques, les transports, les échanges de matière, et la cinétique chimique qui donne les réactions. "La physique de base nous permet de développer des diagnostics, des moyens de visualiser, d'avoir des repères". Cette science compliquée qu'est la combustion s'appuie sur des modèles mathématiques afin d'adapter les travaux au domaine industriel par l'amélioration de la combustion et la diminution de la pollution. "Pour faire des expérimentations numériques il faut que les ordinateurs soit capables de tout avaler car on est en présence de phénomènes extrêmement complexes. Le problème de coût entre en jeu car l'expérimentation numérique n'a de sens que si elle permet de faire des économies sur des expérimentations réelles". Les travaux des spécialistes de la combustion représentent des enjeux considérables dans tous les secteurs : économie, sécurité, produits nouveaux... Quand trois PME-PMI brûlent, une seule d'entre-elle redémarre! Les incendies se payent en coûts humains, sociaux, économiques toujours insupportables. Que dire des feux de forêts qui ravagent en France chaque année l'équivalent en surface boisée de la ville de Paris! Les constats sont terrifiants, les dégâts considérables. Faisons un petit retour dans les années 80, un exemple parmi tant d'autres dans l'histoire de l'homme et du feu : le 18 mai 1980 on assiste à l'explosion du mont Sainte-Hélène, un volcan des Etats-Unis. En juillet 1984, la foudre tombe sur la cathédrale d'York. Durant l'été 1986, un gigantesque incendie de forêt fait rouler, à 30 m/s, une véritable mer de feu vers Cannes. Quand les pompiers parviennent à circonscrire l'incendie il n'est plus qu'à deux ou trois kilomètres de la ville! Quelques mois plus tard, le 1er novembre 1986, 1 250 tonnes de produits chimiques sont en flammes aux laboratoires Sandoz de Bâle, libérant des quantités phénoménales de substances toxiques et autres polluants. Vivons-nous sur un volcan? L'explosion du réacteur n°4 à Tchernobyl le 25 avril 1986 semblerait le prouver. "Il existe un classement Seveso qui concerne des centaines d'établissements industriels en France." Inquiétant, car l'histoire prouve quotidiennement que le risque zéro n'existe pas. La science, par ses rapports étroits avec l'industrie privée ou publique, permet pourtant d'importants progrès en économie d'énergie et protection de l'environnement grâce à l'optimisation des procédés mettant en oeuvre différents types de fours, de brûleurs, de réacteurs chimiques.

De moins en moins mystérieux grâce aux avancées scientifiques, le feu ne se laisse pas facilement mettre en cage. Mais, ce fauve mythique né du grand bouleversement primal survivra-t-il à la fin des temps? L'homme ne sera plus là pour le dire.

Jean-Pierre Le Marc

Mots-clés : feu, flamme, incendie, phlogistique, Ariane

Le feu et les mathématiques

Il court le long du fil d'ariane

Phénomène complexe, le feu est, pour les mathématiciens, un terrain d'élection pour la recherche. Madame Claudine Schmidt-Lainé, Centralienne, Docteur d'Etat en mathématiques, Directeur de recherche au CNRS et actuellement Directeur Adjoint du Département des Sciences Physiques et Mathématiques du CNRS, en parle avec passion :

"Les mathématiciens essayent de comprendre, d'étudier la structure des flammes. Bien sûr il y a longtemps que les observations expérimentales ont été faites, mais les mathématiques permettent d'expliquer certains phénomènes". Les recherches ont principalement commencé avec l'Ecole russe de Zeldovitch (vers 1937), avant que les Américains et les Européens ne s'y mettent, essentiellement par des études "asymptotiques" : "On fait tendre l'énergie d'activation vers l'infini ; il y a une échelle visible et une échelle invisible, on prend une loupe et on développe . Et plus la flamme est mince, plus les événements se déroulent rapidement."

Aujourd'hui, les chercheurs sont capables de calculs numériques très complexes, grâce à la puissance des ordinateurs. "Nous travaillons pour Gaz de France et d'autres secteurs industriels qui nous soumettent leurs problèmes."

Parmi ceux-ci, l'équipe de Claudine Schmidt-Lainé, à l'Ecole Normale Supérieure de Lyon, s'est penchée sur la combustion du propergol solide, en collaboration avec leurs collègues de Bordeaux. "La SNPE (Société Nationale des Poudres et Explosifs), nous a posé le problème d'anistropie pour les "boosters" d'Ariane 5, avec le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales). Nous avons d'abord étudié les cas extrêmes d'inhomogénéité des blocs de propergol. Les matheux simplifiant toujours les choses, sinon ils ne savent rien démontrer! Dans ces cas limites, les anomalies de vitesse de propagation ont pu être décrites qualitativement et quantitativement par de jolis théorèmes issus de résultats mathématiques d'homogénéisation." Ces travaux, publiés depuis un an environ, permettent aujourd'hui d'accéder aux cas réalistes intermédiaires.

"Il existe des quantités d'autres problèmes passionnants" dit Claudine Schmidt-Lainé. "La combustion, les flammes sont partout...Et établir des modèles mathématiques fait gagner du temps, de l'argent, parfois économiser des vies humaines."