Ressource #4 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Méthode permettant d’accélérer une réaction chimique grâce à l’absorption de la lumière, la photocatalyse peut trouver des applications dans bien des domaines. Depuis plus d’une décennie, des chimistes lyonnais s’efforcent d’améliorer les performances de ce procédé catalytique dans le but de faire émerger de nouvelles applications dans le traitement des eaux usées et la production d’hydrogène vert.

Grain d’oxyde de titane. Photographie prise au microscope électronique à balayage. © Didier COT / CNRS Images

Composants clés de l’industrie électronique, les semi-conducteurs sont devenus indispensables au fonctionnement de nos ordinateurs et de nos smartphones. Le développement de nombreuses autres technologies comme le solaire photovoltaïque dépendent également de l’utilisation de ces matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire située entre les matériaux isolants et les métaux. Si le silicium reste de loin le semi-conducteur le plus répandu, il existe bien d’autres matériaux disposant d’aptitudes similaires. C’est par exemple le cas de l’oxyde de titane (TiO₂), un semi-conducteur privilégié pour effectuer les réactions de photocatalyse. Au sein de l’Institut de recherche sur la catalyse et l’environnement (Ircelyon)¹ le chimiste CNRS Gilles Berhault étudie depuis plusieurs années la possibilité d’activer le TiO₂  à partir d’une source lumineuse. Ainsi irradié, le semi-conducteur produit des espèces chimiques actives, pouvant notamment servir à éliminer les polluants contenus dans les eaux usées provenant d’un hôpital. Outre ce domaine de recherche lié à la dépollution de notre environnement, initialement exploré par les scientifiques du laboratoire, des travaux débutés plus récemment visent à étudier la possibilité de produire également de l’hydrogène en faisant interagir ce même semi-conducteur à base de TiO₂ avec la lumière.

De nouvelles espèces chimiques très actives

Bien que ces deux perspectives d’application puissent sembler très éloignées l’une de l’autre, elles reposent pourtant sur le même principe. « L’irradiation d’un semi-conducteur par une source lumineuse provoque l’éjection d’un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction² , explique le scientifique. Cela donne lieu à la formation d’une lacune appelée trou se comportant comme une charge positive dans la bande de valence de l’atome ayant perdu l’électron tandis que cette particule chargée négativement rejoint la bande de conduction. » C’est finalement par la création de ces deux nouvelles espèces chimiques très actives, que les scientifiques nomment « paires électron-trou », que des réactions susceptibles de dégrader des polluants ou de produire de d’hydrogène peuvent émerger. Ces paires électron-trou nouvellement créées ont toutefois tendance à se recombiner continuellement les unes avec les autres. Or ces phénomènes de recombinaison réduisent de manière drastique l’activité du semi-conducteur. Afin de renforcer la stabilité des paires électron-trou, l’équipe de Gilles Berhault a donc testé la possibilité d’adjoindre au semi-conducteur TiO₂ un composant ferroélectrique.

Stimuler la photocatalyse en combinant les matériaux

Cette classe de matériaux a en effet tendance à se polariser spontanément, ce qui se traduit par une séparation permanente des charges électriques positives et négatives au niveau de la structure macroscopique du matériau. Les électrons produits dans un semi-conducteur combiné à un ferroélectrique vont alors avoir tendance à se diriger vers la partie de ce matériau chargée positivement. Dans le même temps, les lacunes, qui sont chargées positivement, vont être attirées vers sa partie chargée négativement. « Parce qu’il contribue à éloigner l’électron du trou qu’il a laissé dans la bande de valence, l’ajout d’un élément ferroélectrique permet de limiter le processus de recombinaison. Les paires électron-trou étant alors davantage disponibles pour participer à la réaction de photocatalyse, l’efficacité de cette dernière est censée augmenter de façon significative », souligne Gilles Berhault.

Pour le vérifier, les chimistes lyonnais ont eu recours à du titanate de baryum (BaTiO₃). Ce matériau cristallin à la structure cubique présente deux phases distinctes : une où il est ferroélectrique et une autre où il ne l’est pas. Le fait que le BaTiO₃ existe sous ces deux formes permet ainsi de mesurer le bénéfice du caractère ferroélectrique lors d’une réaction de photocatalyse. Après avoir déposé du TIO₂ sur des échantillons de BaTiO₃ appartenant à chacune des deux catégories, l’équipe a exposé ces matériaux hybrides à un rayonnement ultraviolet.

Photocatalyse: produire de l’hydrogène vert grâce à la lumière © Emilie Josse

Les matériaux ferroélectriques se profilent à l’horizon

Des premiers résultats expérimentaux destinés à mesurer l’apport de la ferroélectricité dans la dégradation de polluants, se sont déroulés à travers la thèse de Tania Mreyde en présence d’acide formique³. Une analyse menée en parallèle en présence d’une solution de méthanol a également permis d’estimer la production d’hydrogène à partir de ces mêmes matériaux hybrides : « En ce qui concerne la dégradation des polluants, les systèmes combinant le semi-conducteur avec un ferroélectrique se sont avérés jusqu’à 2,5 fois plus actifs que les systèmes non-ferroélectriques. Pour le volet production d’hydrogène, ces mêmes systèmes ferroélectriques ont démontré une activité jusqu’à vingt fois supérieure aux systèmes qui ne disposaient pas de cette propriété », détaille Gilles Berhault. Dans le futur, compte tenu des résultats obtenus en thermophotocatalyse en présence de TiO₂ sous pression, température et UV (voir figure) réalisées dans le cadre des projets ANR PHOTHER puis ECOCHEM, montrant une amélioration notable de la formation de H₂ laissent ainsi entrevoir un bel avenir en utilisant ces matériaux ferroélectriques.

Réacteur photocatalytique fonctionnant sous température (120°C) et pression (5 bars) pour la production d’hydrogène – Le réacteur est illuminé par le bas à partir d’une lampe LED Philips PL-L 18W UVA © C. Guillard, N Essayem

Dans le but d’augmenter encore ce gain de productivité, une nouvelle approche scientifique est d’ores et déjà envisagée par les chimistes de l’Ircelyon. Celle-ci consiste à combiner un ferroélectrique avec un TiO₂ et un MXène⁴. Disposant à la fois d’une bonne conductivité électrique et d’une bonne conductivité thermique, les MXènes sont à même d’augmenter le transfert de chaleur ajouté à un processus de photocatalyse et lui permettre ainsi de fonctionner encore plus efficacement. « La principale difficulté de ce nouvel axe de recherche qui vise à recourir à la photo-thermo-catalyse pour atteindre un niveau de production d’hydrogène encore plus élevé sera de parvenir à faire fonctionner en synergie les gains positifs associés à chacun de ces trois matériaux », précise Gilles Berhault.

Si les scientifiques parviennent à relever ce défi, l’utilisation de ce procédé pour produire de l’hydrogène vert pourrait notamment être envisagée à partir des déchets végétaux générés par une exploitation agricole dans la perspective d’assurer son autonomie  .

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

—————————————————————

¹ Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

² La bande de valence correspond à la bande d’énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion entre atomes voisins au sein d’un même matériau solide. Dans un semi-conducteur, la bande de valence est relativement proche d’une autre bande d’énergie appelée bande de conduction dans laquelle certains électrons peuvent migrer lorsque le matériau est soumis à un apport d’énergie par chauffage, application d’un champ électromagnétique ou irradiation lumineuse.

³ Ce composé organique est une molécule modèle employée pour déterminer la capacité d’un photocatalyseur à éliminer des polluants présents en milieu aqueux. La dégradation de l’acide formique correspond en effet à l’étape ultime de minéralisation (dégradation complète) d’une vaste famille de polluants présentant des caractéristiques similaires à l’acide formique.

⁴ Composés bidimensionnels en forme de feuillets découverts en 2011, les MXènes disposent d’un large éventail de propriétés en raison de la grande variété d’atomes susceptibles de les constituer.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-APRICOT-AAPG2022. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Découvrez, à l’aide d’exemples concrets présentés par trois scientifiques, comment la mise au point de nouvelles approches technologiques en recherche fondamentale pourrait contribuer de manière significative aux avancées médicales futures dans le domaine de la cancérologie.

Les 15, 16 et 17 novembre 2024, Les Échappées inattendues du CNRS ont investi le Collège Truffaut, lieu de vie créatif dédié à la bande dessinée en plein cœur des Pentes de la Croix-Rousse à Lyon. À ceux qui affirment ne pas raffoler de science, le CNRS a relevé le défi avec ce festival scientifique teinté de BD en proposant l’exploration, la découverte, l’émerveillement, la rencontre et le partage ! Cette micro-conférence a été enregistrée le 17 novembre 2024.

Intervenants :

• 00:00 Quand la physique s’en mêle par Benjamin Audit, est chercheur CNRS en physique au Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (LPENSL, CNRS | ENS de Lyon)
• 11:24 Traiter les cancers par signaux électriques par Théo Le Barre, est doctorant en ingénierie pour la santé au Laboratoire Ampère (Ampère, CNRS | École Centrale de Lyon | INSA Lyon | Université Claude Bernard Lyon 1) et au Laboratoire de génie électrique et ferroélectricité (LGE, INSA Lyon)
• 19:46 Et la lumière soigne ! par Cyrille Monnereau, est enseignant-chercheur en chimie à l’École Normale Supérieure de Lyon et rattaché au Laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon (LCH, CNRS | ENS de Lyon)

Pour son dossier consacré à la lumière, Pop’Sciences est allé à la rencontre des scientifiques et professionnels des métiers de la lumière de la région Lyon Saint-Étienne. Un dossier sous les feux de la rampe … Un dossier en clair-obscur !

« Ce n’est pas Versailles ici ! ». Au-delà du slogan publicitaire qui nous enjoint, à juste titre, d’appliquer des gestes éco-responsables, la lumière, et l’absence de lumière, a de multiples implications dans le monde vivant. Action sur notre biorythme, innovations en matière d’éclairages, impact environnemental, mise en lumière dans les arts de la scène, pollution lumineuse… sont quelques unes des multiples facettes que Pop’Sciences vous propose de découvrir tout au long de ce dossier.

  Les articles du dossier

• #1 Comment la lumière régule notre santé

©Pixabay

Comment la lumière agit-elle sur notre biorythme ? Pour le savoir, des dispositifs expérimentaux ont été spécialement conçus à Lumen, la Cité de la lumière de Lyon. À la clé, une étude qui s’intéresse aux troubles du sommeil des travailleurs de nuit. Reportage.

Lire l’article #1

• #2 En ville, innover pour éclairer mieux et moins 

©PxHere.com

Double innovation de rupture, la led présente des atouts qui permettent d’envisager son utilisation dans l’éclairage urbain en limitant au mieux ses impacts sur l’environnement. Mais d’autres solutions innovantes émergent qui utilisent la capacité du vivant à émettre de la lumière, sans électricité.

Lire l’article #2

• #3 Concevoir la lumière et faire rêver les spectateurs, tout un art 

©Ensatt

Illuminer un sujet, savamment, c’est le mettre en valeur. C’est vrai pour les paysages nocturnes lyonnais, mais aussi, et surtout, pour une pièce de théâtre. Un exercice qui demande d’avoir l’œil sensible et de suivre certaines règles pour créer l’émotion, comme l’explique Christine Richier, éclairagiste et responsable du master Conception Lumière à l’École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre – Ensatt – de Lyon.

Lire l’article #3

• #4 Préserver la nuit : un enjeu de sciences pour nous tous

L’environnement lumineux de Lyon la nuit. / monlyon – free download

Responsable d’effets en cascade sur la biodiversité et de dégradation de la qualité du ciel, la pollution lumineuse s’est accentuée au cours de la dernière décennie. Des solutions technologiques existent pour en diminuer les impacts en ville. À nous toutefois de redécouvrir comment la nuit est belle !

Lire l’article #4

—————————————————————

MMerci !

Ce dossier a été réalisé grâce à la collaboration de différents chercheuses et chercheurs en sciences de l’Université de Lyon :

• Raphaël Labayrade, chercheur au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes – LTDS (École Nationale des Travaux Publics de l’État – ENTPE, École Centrale de Lyon, CNRS Rhône Auvergne) ;
• Dominique Dumortier, chercheur en physique au LTDS ;
• Claude Gronfier, spécialiste en chronobiologie chercheur au Centre de recherche en neurosciences de Lyon – CRNL, au sein de l’équipe Waking (UMR CNRS, Inserm, Université Claude Bernard Lyon 1) ;
• Christine Richier, spécialiste conception lumière, chercheuse au Laboratoire Passages Arts et Littérature – XX-XXI – de l’Université Lumière Lyon 2 ;
• Isabelle Vauglin, astrophysicienne au Centre de recherche en astrophysique de Lyon – CRAL (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1 / ENS de Lyon).

Ainsi qu’avec la participation de :

• Philippe Badaroux, président du Cluster Lumière, Lyon ;
• François Brunet, directeur général du Cluster Lumière, Lyon ;
• Hélène Foglar, écologue et conseillère en éclairage public au sein du bureau d’étude Athena-Lum, membre de l’Observatoire de l’environnement nocturne (CNRS) ;
• Pascal Moeschler, biologiste, ex-conservateur au Muséum d’histoire naturelle de Genève et co-fondateur de la noctilogie ;
• Éric Achkar, ex-président de la société astronomique de Genève et co-fondateur de la noctilogie.

Nous les remercions pour le temps qu’ils nous ont accordé.

Un dossier rédigé par : Caroline Depecker, journaliste scientifique, pour Pop’Sciences.

Article #1 – Dossier Pop’Sciences Quand la lumière éclaire le vivant

Comment la lumière agit-elle sur notre biorythme ? Pour le savoir, des dispositifs expérimentaux ont été spécialement conçus à Lumen, la Cité de la lumière de Lyon. À la clé, une étude qui s’intéresse aux troubles du sommeil des travailleurs de nuit. Reportage.

Un article de Caroline Depecker, journaliste scientifique, rédigé
pour Pop’Sciences – 29 juin 2023

Malgré mes paupières closes, je sens la lumière qui filtre à travers elles. Impossible d’en ignorer la brillance ou plutôt la luminance, c’est-à-dire le flux de grains lumineux frappant la surface de mes yeux. Le box où je me tiens renvoie une lumière froide et intense : 10 500 degrés Kelvin. « C’est le maximum que l’on puisse faire en termes de température de couleur avec le blanc, je peux la baisser quelque peu si cela gêne », commente Raphaël Labayrade, chercheur au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes – LTDS (ENTPE¹, École Centrale de Lyon, CNRS). L’éclairage, émanant du mur d’en face et du plafond, semble devenir plus apaisant.

Contrôler finement le spectre lumineux grâce à 2400 Leds

Pianotant sur son clavier, le physicien fait la démonstration du potentiel associé au Color Lab, un des espaces dédiés à la recherche et à l’innovation de Lumen, la Cité de la Lumière nouvellement ouverte à Lyon. La pièce se divise en deux cellules, dotée chacune de 21 plaques lumineuses alimentées séparément : un patchwork coloré apparaît tout à coup. « Chaque dalle diffuse la lumière résultant de 2400 diodes électroluminescentes – des leds – colorées ou blanches et plaquées dans un caisson qui se situe derrière, explique le responsable des lieux. L’ordinateur commande l’intensité de chacune des diodes qui émet des photons de longueur d’onde précise. « C’est ainsi que nous contrôlons finement le spectre lumineux de la lumière émise par les dalles », renchérit le scientifique.

Le caisson situé derrière chacune des dalles lumineuses du Color Lab contient 2400 diodes électroluminescentes permettant de contrôler le spectre lumineux. / © C. Depecker

Oui, mais avec quels objectifs ? Moyennant prestations, le Color Lab est mis à la disposition des laboratoires et des entreprises qui désirent mettre au point leurs systèmes d’éclairage, avec une visée particulière : réaliser un rendu fidèle des couleurs, ou renforcer l’attractivité d’un objet par exemple^[Encart]. « Selon le cas, optimiser le spectre lumineux est souhaitable », explique Raphaël Labayrade. « Le jeu comparatif des salles jumelles rend mieux compte des résultats obtenus ». Le volume des cellules permet d’accueillir des objets de taille réelle : du mobilier, des œuvres d’art ou bien…des êtres humains. De façon surprenante, une des premières applications imaginées pour le Color Lab concerne la photothérapie, c’est-à-dire l’utilisation de la lumière en médecine.

Resynchroniser l’horloge biologique, une nécessité

La lumière du jour est un acteur silencieux de notre santé, elle régule notre biorythme en activant de petits capteurs photosensibles tapissant la rétine de nos yeux : les cellules ganglionnaires à mélanopsine. Localisés au même endroit, les cônes et les bâtonnets sont des photocapteurs qui sont des éléments clés, eux, de la vision. Les premiers sont responsables de la perception des couleurs tandis que les seconds, s’activant à faible luminosité, nous permettent de voir dans la pénombre.

Coupe schématique de la rétine d’un œil humain / Wikimedia Commons

Veille et sommeil, température corporelle, production d’hormones, fréquence cardiaque, mais aussi capacités cognitives ou encore humeur : ces fonctions biologiques sont régies par un rythme circadien, un cycle d’une durée comprise entre 23h30 et 24h30. De la taille d’une tête d’épingle, l’horloge interne qui impose ce rythme à l’organisme se situe dans l’hypothalamus, au cœur de notre cerveau, et se compose de 10 000 neurones présentant une activité électrique oscillante. Tel un chef d’orchestre, l’horloge interne bat la mesure. Or, celle-ci est propre à chaque individu. Si elle était livrée à elle-même, l’horloge conduirait les êtres vivants à se décaler les uns par rapport aux autres et chacun finirait par s’endormir à un horaire différent de la veille, rendant impossible la vie en société. Heureusement, des agents extérieurs resynchronisent en permanence l’horloge sur un cycle de 24 heures : la lumière est le plus puissant d’entre eux.

En 2 minutes, le cœur répond à l’influx lumineux

Sensibles au bleu, et plus particulièrement à la longueur d’onde de 480 nm, les cellules à mélanopsine envoient des signaux électriques à l’horloge interne lorsqu’elles sont activées, ce qui provoque la remise à l’heure du cycle. Ce message est transmis encore à d’autres structures cérébrales qui sont impliquées dans les fonctions biologiques citées plus haut. « Les cônes et les bâtonnets auraient aussi un rôle à jouer dans la régulation de l’horloge biologique, explique Claude Gronfier, spécialiste en chronobiologie et chercheur à l’Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm) de Lyon. Mais avec une sensibilité autre que celle des cellules à mélanopsine. C’est avec l’idée d’investiguer l’action de chacun de ces photorécepteurs que le caisson à l’origine de l’éclairage du Color Lab a été conçu, en collaboration avec les chercheurs de l’ENTPE ».

Sensibles au bleu, et plus particulièrement à la longueur d’onde de 480 nm, les cellules à mélanopsine envoient des signaux électriques à l’horloge interne lorsqu’elles sont activées, ce qui provoque la remise à l’heure du cycle. […].
Ce qui intéresserait le scientifique ? Soumettre des volontaires à l’éclairage de la salle, moduler le spectre lumineux émis par les diodes et observer comment la rétine des volontaires réagit, ainsi que leur physiologie. /
©Wikimedia Commons – D’après un travail fait par YassineMrabet. sur la base de données extraites de « The Body Clock Guide to Better Health » by Michael Smolensky and Lynne Lamberg; Henry Holt and Company, Publishers (2000).

Ce qui intéresserait le scientifique ? Soumettre des volontaires à l’éclairage de la salle, moduler le spectre lumineux émis par les diodes et observer comment la rétine des cobayes réagit, ainsi que leur physiologie. Et cela peut aller très vite. Lors d’une étude publiée en 2019 dans la revue Frontiers in Neurosciences, C. Gronfier et son équipe ont montré que la réponse de nos organes vitaux à un changement de lumière était quasi instantanée. Au laboratoire, une trentaine d’adultes ont été en effet exposés à des conditions d’éclairage variables -dont un choix de couleur bleue ou rouge- pendant qu’on mesurait plusieurs de leurs paramètres physiologiques. Résultat : dès les premiers instants d’exposition à la lumière, le rythme cardiaque et la température corporelle augmentent, la pupille se contracte tandis que l’activité cérébrale lente -celle propice à l’endormissement- diminue. Il faut moins de 5 minutes pour que le cerveau, le cœur et la thermorégulation se mettent en route et le corps témoigner d’un regain d’activité.

2 lux suffisent pour impacter le sommeil

« Les effets de la lumière sont observés à des niveaux très faibles, souligne le neurobiologiste de l’Inserm. À partir de 2 lux mélanopiques², la sécrétion de mélatonine, soit de l’hormone qui favorise l’endormissement, est inhibée ». À titre de comparaison, l’ensoleillement extérieur produit une lumière qui équivaut à 10 000 lux environ. « Ce constat ne peut que renforcer le message préventif déjà édicté en matière d’hygiène lumineuse : trop de lumière le soir, via nos écrans ou nos lampes, a un effet néfaste sur le sommeil en le retardant. Un couvre-feu numérique d’une heure avant l’heure du coucher est d’ailleurs recommandé ».

Prendre l’habitude de s’endormir tard, après minuit, voire au-delà de 2 ou 3 heures du matin, provoque un trouble du sommeil bien connu, appelé « retard de phase du cycle veille/sommeil ». Ce syndrome touche surtout les adolescents, mais aussi les adultes incapables de se coucher à une heure convenable : l’horloge de ces personnes ne déclenche pas l’endormissement suffisamment tôt, ni le réveil. S‘ensuit une dette de sommeil, et un état de fatigue prolongé, lorsqu’il faut se réveiller le matin pour obéir aux contraintes sociales.

Évaluer la sensibilité à la lumière en cas réel

La désynchronisation de l’horloge biologique concerne une autre catégorie de population fragilisée, elle, par ses conditions de travail : les travailleurs de nuit. C’est à leur sujet que débutera bientôt une étude originale, baptisée Light Health³, menée par C. Gronfier et son équipe, en collaboration avec l’ENTPE. Du fait de leur éveil nocturne, de nombreux travailleurs de nuit connaissent des troubles du sommeil. Leur horloge interne les enjoint à la somnolence sur leur lieu de travail et perturbe leurs phases de repos quand ils tentent de récupérer la journée. « Dans l’apparition de ces troubles, quelle est la contribution d’une exposition insuffisante à la lumière du jour de ces employés ? interroge le chercheur de l’Inserm. L’influence de la lumière sur l’horloge biologique a été attestée au laboratoire, de manière contrôlée. Mais qu’en est-il de la sensibilité de chacun d’entre nous à ce facteur, dans les conditions de vie réelle ? Alors que d’autres rythmeurs de temps existent comme les prises de repas et l’activité physique réalisées à heure fixe ».

Le dosimètre lumière « LightMonitor », ou « LIMO » mesure le spectre et l’intensité de la lumière à laquelle les personnes sont exposées ainsi que leur activité. Il est peu encombrant, autonome et léger. / © D.Dumortier

Pour aborder cette question, un autre dispositif expérimental a été conçu : il prend l’apparence d’un petit bloc parallélépipédique et fait office de capteur lumineux. Fruit d’une collaboration entre l’Inserm et l’ENTPE, breveté en 2022, « le Light Monitor, ou LIMO – c’est son autre nom- mesure le spectre et l’intensité de la lumière à laquelle sont exposées les personnes, commente Dominique Dumortier, chercheur au LTDS et concepteur de l’objet. Le jour, il équipe une branche de lunettes portées par les volontaires tandis qu’au coucher, on le fixe à son poignet par l’intermédiaire d’un bracelet ». Cachant un actimètre dans son boitier, le Light Monitor collecte aussi des données sur les mouvements de la personne, renseignant ainsi sur son activité journalière et la qualité de son sommeil.

Light Health et les travailleurs de nuit

Courant 2023, des travailleurs de nuit se verront équiper du dosimètre qu’ils porteront pendant une quinzaine de jours. Grâce à des prélèvements de mélatonine, leur profil circadien sera évalué en début d’expérience. Sont-ils des couche-tôt ? des couche-tard ? Des dosages hormonaux similaires en fin de protocole expérimental détermineront comment l’horloge aura été déréglée. Ces informations seront comparées à un jeu de données médicales (pression artérielle, fréquence cardiaque, etc.), psychiatriques et de tests cognitifs. Le tout au regard du profil de lumière que ces volontaires auront reçu ainsi que de la qualité de leur sommeil. En 2016, un rapport de l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation – ANSES, alertait sur le lien probable entre le travail de nuit et l’apparition de cancers, de troubles psychiques (anxiété, dépression), de diabète ou d’infarctus du myocarde, au-delà des troubles du sommeil connus. « L’étude Light Health servira à documenter l’hypothèse selon laquelle l’exposition à la lumière est prédictive des effets sanitaires observés chez ce type de population », conclut C. Gronfier. Avec à la clé, la possibilité d’émettre des recommandations et des remédiations à trouver grâce à l’emploi d’éclairages adaptés.

—————————————————————

Encart

Comment l’éclairage influe sur la perception visuelle.

—————————————————————

Notes

[1] ENTPE : École Nationale des Travaux Publics de l’État.

[2] Le lux est une unité de mesure qui caractérise l’intensité lumineuse reçue par unité de surface. Associé aux cellules à mélanopsine, le lux mélanopique sert à mesurer la quantité de lumière « utile » à la régulation du rythme circadien.

[3] L’étude Light Health bénéficie du soutien financier de la région Rhône-Alpes-Auvergne.

PPour aller plus loin

• À la recherche du sommeil perdu, La Méthode scientifique, Radio France, 30-01-2017 (podcast de 57 min).
• Lumière et sommeil, La Terre au carré, France Inter, 19-05-2015 (podcast de 54 min).
• L’intensité de la douleur est contrôlée par l’horloge interne, Inserm, 20-07-2022.
  
• Les 24 heures chrono de l’organisme, Dossier Inserm, 01-10-2018.

Article #2 – Dossier Pop’Sciences Quand la lumière éclaire le vivant 

Double innovation de rupture, la led présente des atouts qui permettent d’envisager son utilisation dans l’éclairage urbain en limitant au mieux ses impacts sur l’environnement. Mais d’autres solutions innovantes émergent qui utilisent la capacité du vivant à émettre de la lumière, sans électricité.

Un article de Caroline Depecker, journaliste scientifique, rédigé
pour Pop’Sciences – 29 juin 2023

Efficaces en énergie, modulables à souhait, déclinables selon toutes les couleurs, les diodes électroluminescentes – ou leds- ont débarqué sur le marché de l’éclairage il y a une quinzaine d’années et en ont bousculé les codes. L’emploi excessif qui en serait fait n’est pas sans poser de souci. Renforçant un sur-éclairage constaté en ville, elles contribuent à une pollution lumineuse qui est pointée du doigt pour ses méfaits sur la biodiversité et les activités humaines (lire l’article #1 du dossier). Un usage raisonné des leds est à imaginer alors, qu’à l’instar de la bioluminescence, de nouvelles solutions innovantes émergent pour un éclairage plus « doux » de la nuit.

« En tant qu’innovation de rupture, la led a fortement déstabilisé la filière éclairage à son arrivée. On découvrait un éventail incroyable de nouveaux usages pour cette technologie qui, aujourd’hui, est mature », explique François Brunet, directeur du Cluster Lumière, un réseau qui regroupe sur Lyon les professionnels de la lumière impliqués dans l’éclairage et l’ensemble de sa chaîne de valeur. La led présente deux avantages majeurs par rapport à ses concurrentes passées (les ampoules halogènes et fluorescentes¹) : un rendement énergétique et une durée de vie et, en tant que composant électronique, un possible pilotage à distance.

Deux atouts : rendement énergétique et digitalisation

À éclairement lumineux identique, la gamme de puissance des leds va de 4 à 10 watts alors que les solutions précédentes (les lampes à décharge, ndlr) affichent des valeurs entre 60 et 100 watts. « Pour une collectivité, remplacer son parc de lampes à sodium par des sources lumineuses LED, c’est l’occasion de faire entre 30% et 60% d’économies d’énergie », commente François Brunet. Le gisement est énorme. Les lampes les plus énergivores, à vapeur de mercure ou de sodium utilisées historiquement dans l’éclairage extérieur, sont condamnés à disparaître en application de la directive européenne 2009 qui en interdit la vente. Or, à ce jour, seul 25% du parc public est équipé en leds.

©Samuel Challeat,- Observatoire environnement nocturne – CNRS -GEODE

Parce qu’on peut ajuster sa puissance d’alimentation depuis un ordinateur, la led est devenue un éclairage digital. « C’est la seconde innovation de rupture qui accompagne la led. Avec l’envolée des coûts énergiques, cet aspect prend une valeur considérable pour réaliser des économies d’énergie », argumente Philippe Badaroux, président du Cluster. Piloter un parc à leds, c’est définir les horaires à partir desquels l’intensité des diodes est abaissée – en milieu de nuit par exemple – ou au contraire rehaussée – au petit matin. La mise en place de capteurs de présence associés aux lampadaires permet d’augmenter l’éclairage lors du passage transitoire d’un véhicule dans la zone pour davantage de visibilité. Ce type de solution est en cours d’expérimentation dans les quartiers lyonnais du Point-du-Jour et de Monchat depuis deux ans.

Grâce au pilotage intelligent des leds, il serait encore possible de diviser par deux la consommation énergétique d’un éclairage extérieur. De quoi faire réfléchir les collectivités qui ont le budget nécessaire pour faire face aux investissements requis par ces équipements derniers cris. « Attention aux effets pervers toujours possibles en cas d’innovation technologique, tempère Philippe Badaroux. L’effet rebond en est un qui consiste ici à surestimer le nombre de leds à installer alors que leur efficacité énergétique les rend économiquement attractives ».

Créer un éclairage mimant la lumière du Soleil

Au sein du cluster, un groupe de travail a été créé afin de voir comment prendre en compte les problématiques de sobriété énergétique et, lumineuse. Son objectif : faire réfléchir conjointement fabricants d’éclairage et grands consommateurs pour définir des usages pertinents à la lumière tout en intégrant sa qualité environnementale. La réflexion suppose de battre en brèche certaines idées acquises comme l’éclairage systématique des chaussées sur leur linéaire entier. « Plutôt que penser l’éclairage conditionné par des trames noires, difficiles à cerner vu la complexité des interactions entre les espèces nocturnes et la nuit, nous défendons l’idée d’optimiser les trames éclairées. Philippe Badaroux déroule le questionnement. Y’a-t-il réellement besoin d’éclairage ? À quel moment ? Pour quel objectif ? Dans l’affirmative, avec quelle intensité ? »

La digitalisation de la led libère l’imagination des concepteurs lumière. Qu’il s’agisse d’éclairer la ville, de soigner une mise en scène ou encore de proposer des environnements de travail dits « capacitants », c’est-à-dire favorisant une meilleure santé et le développement des capacités individuelles. Dans les Alpes-Maritimes, le fabricant de luminaires Résistex© a ainsi développé une solution d’éclairage créant l’illusion d’un puits de lumière. Dédiés aux espaces dépourvus de fenêtre ou à faible éclairage, le « Waouh » reproduit un faisceau lumineux identique à celui du soleil et variant comme lui au cours de la journée, voire des saisons.  Capable de se synchroniser avec l’astre solaire, l’éclairage adopte un cycle circadien qui, dans ses variations de lumière et d’obscurité, respecterait au mieux le fonctionnement de notre horloge biologique. L’occasion d’optimiser nos capacités cognitives tout en préservant notre rythme veille-sommeil.

Puits de lumière artificielle proposé par l’entreprise Résistex pour éclairer des pièces borgnes : éclairage pour le matin, au zénith et le soir. / ©C. Depecker

Changement de paradigme, autre innovation de rupture : un éclairage sans ampoule, ni électricité ! Mais en faisant appel à la capacité du vivant d’émettre spontanément de la lumière, ce qu’on appelle la bioluminescence. Une levier d’action inédit pour davantage de sobriété lumineuse. En décembre dernier, la start up WoodLight a obtenu à ce sujet plus de 100 000 euros, grâce à une campagne de financement participatif. Son objectif : mettre au point un plant bioluminescent à l’horizon 2024.

Mais le projet le plus abouti concerne la lumière produite par les bactéries marines. Initiatrice du concept en 2014, la start up Glowee, basée à Evry, en a fait sa spécialité. En guise de première installation valorisant le potentiel créatif de la technologie et le bien-être que génère chez la plupart la lumière bleutée caractéristique des abysses, une Glowzen Room a été installée au château Cornu, à 70 kilomètres de Lyon, en 2019. Janvier de cette année, l’entreprise a franchi un pas important de son déploiement en installant, pour la première fois au monde, du mobilier urbain bioluminescent.

Cultiver des bactéries luminescentes dans un mobilier urbain

Le « Rambolium » est un panneau de signalisation qui brille, de jour comme de nuit, sur le parvis de la lanterne à Rambouillet. À l‘intérieur de son bourgeon sommital, les bactéries marines baignent dans des tubes d’eau saline enrichie quotidiennement en nutriments, et de façon automatique, pour qu’elles puissent se multiplier.  L’alimentation en air du dispositif, nécessaire pour que le phénomène biologique ait lieu, a lui aussi été automatisé, ainsi que des rinçages et nettoyages pour éviter les contaminations. Le liquide enfermé dans le mobilier est extrait des cultures bactériennes élevées par Glowee dans ses laboratoires afin, entre autres, d’en optimiser les performances.

Le « Rambolium » diffuse la lumière produite par les bactéries marines qui sont contenues dans son bourgeon sommital. / DR Glowee – https://www.glowee.com/

La luminosité produite par les bactéries est trop faible pour concurrencer l’éclairage de la voirie dédiée à la voiture. Le potentiel représenté par la lumière des abysses se situe plutôt en zone piétonne. Comme l’explique l’urbaniste Nicolas Houel, spécialiste en aménagement de l’espace nocturne, dans les Échos : « Les couleur bleu vert de la bioluminescence sont apaisantes et procurent ce sentiment de sécurité recherché par les piétons,  tout en minimisant la pollution lumineuse ». Un moyen de rassurer le citoyen sur ce qui se cacherait dans la nuit, tout en évitant l’approche coutumière du lampadaire à l’éclairage uniforme et puissant.

Huit ans après les premières mises au point de la lumière marine, Glowee poursuit ses travaux de recherche et développement pour rendre son système suffisamment stable et remplir le cahier des charges de l’éclairage urbain. Une question de taille est à résoudre : garder les bactéries luminescentes par toute température car, pour l’instant, celles-ci ne produisent de la lumière qu’entre 10 et 40 degrés. Le panneau de signalisation a été planté sur la place rambolitaine pour une expérimentation de quatre mois afin de tester la robustesse, l’opérabilité et la recevabilité du système. L’issue de l’opération est stratégique pour la start up. Si celle-ci est concluante, Glowee espère essaimer largement sa solution : elle travaillerait d’ores et déjà sur une cinquantaine de projets avec des aménageurs, promoteurs, opérateurs d’énergie, collectivités pour déployer ce type d’éclairage en ville. Dans cette perspective, la société œuvre pour industrialiser une gamme de mobilier bioluminescents : la commercialisation des produits a été fixée à 2024.

———————————————————-

Notes

[1] Les lampes à incandescence ne sont plus autorisées à la vente depuis 2013 et les halogènes depuis 2018. Restent les lampes fluocompactes.

PPour aller plus loin

• De la lampe à huile aux LED : histoire physico-chimique de l’éclairage artificiel, Lionel Simonot, maître de conférences à l’École Nationale Supérieure d’Ingénieurs (ENSI) de Poitiers 1,  activités de recherche sur les propriétés optiques de matériaux à différentes échelles : films minces nano-composites, peintures en glacis, vernis, objets obtenus par impression 3D, etc.
• La bioluminescence, une lumière venue de la mer prête à révolutionner la ville de demain, Dossier médiachimie sur l’éclairage par bioluminescence, Sandra Rey, créatrice de la société Glowee1 qui utilise
  les voies du biomimétisme pour produire de la lumière à partir de bactéries.
• Solutions – Éclairer grâce à des bactéries bioluminescentes, IRD, 11 mars 2022.

Article #3 – Dossier Pop’Sciences Quand la lumière éclaire le vivant

Illuminer un sujet, savamment, c’est le mettre en valeur. C’est vrai pour les paysages nocturnes lyonnais, mais aussi, et surtout, pour une pièce de théâtre. Un exercice qui demande d’avoir l’œil sensible et de suivre certaines règles pour créer l’émotion, comme l’explique Christine Richier, éclairagiste et responsable du master Conception Lumière à l’École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre – Ensatt – de Lyon.

Une interview réalisée par Caroline Depecker, journaliste scientifique,
pour Pop’Sciences – 29 juin 2023

À travers le Plan Lumière, Lyon utilise l’éclairage urbain pour mettre en beauté ses paysages nocturnes depuis 1989. Certaines compositions lumineuses vous touchent-elles plus que d’autres ?

Je ne fréquente pas toutes les rues lyonnaises, mais j’ai un souvenir qui me parle, celui de la passerelle Saint-Vincent. Rouge, elle enjambe la Saône en reliant les 1^er et 5^e arrondissements. J’aime aussi un bout de tunnel, du côté de la gare Part-Dieu [le tunnel du passage des Emeraudes, ndlr]. Il est éclairé délicatement, en bleu. J’apprécie les petites choses, celles qui font que mon œil rêve, plutôt que les grosses façades RVB¹. Avec ses couleurs et ses jeux de lumière, l’éclairage urbain est un outil fantastique de transformation de la ville. En cela, il suscite l’imaginaire et invite à la rêverie …tant qu’il est utilisé avec goût. Que la lumière puisse donner à voir, et non à se voir. À ce titre, l’excès qu’en fait régulièrement l’éclairage urbain me paraît contre-productif. Comme les gestes artistiques : ceux qui consistent par exemple à faire de sur une façade, ou une falaise bien en vue.

La lumière urbaine est, par essence, chaotique. Les éclairages des enseignes commerciales s’ajoutent à celles des fenêtres citadines, de la voirie ou de certains bâtiments enluminés : de ce mélange-là naissent parfois des moments où l’œil s’émerveille. Et, la rétine, me semble-t-il, n’est jamais aussi heureuse que lorsqu’une multitude de petites lumières non éblouissantes et de couleurs variées s’offrent à elle. À la différence des éclairagistes urbains qui se réfèrent à des abaques pour éclairer la ville, au théâtre, nous disposons d’une grande liberté pour concevoir la lumière de nos spectacles. Et cela, c’est un plaisir immense.

Rêveries lumineuses de Leonard, un projet participatif avec des étudiants de 8 écoles de Lyon, piloté par C.Richier, T. Huet et JLL. Lanteri / ©Ensatt

La lumière donne à voir ou laisse dans l’obscurité. Au théâtre, sa distribution influe le spectateur en modifiant imperceptiblement l’histoire qui se joue sous ses yeux. Elle résulte de choix délibérés. Comment procédez-vous ?

« En laissant infuser. Encore. » Ces propos du peintre et écrivain Henri Michaux, je les répète souvent aux étudiants. Ne pas installer les projecteurs dès la première répétition, mais chercher à comprendre, avant tout, le monde qu’on est en train de fabriquer avec les autres corps de métier présents au théâtre. Le grand scénographe J. Svoboda avait coutume de comparer la représentation théâtrale au jeu d’un orchestre. Chaque instrument : le son, la scénographie, les costumes, le maquillage, les mouvements, la direction d’acteurs… y joue une partition originale pour former un tout harmonieux. À l’instar de la lumière. Mais si les premiers instruments peuvent être accordés bien avant le spectacle, grâce au travail sur plan, la conception lumière se fait, elle, quasi exclusivement lors des répétitions. Elle nécessite en effet le corps des comédiens en mouvement dans l’espace pour en dessiner les contours et nourrir l’émotion. Et elle doit beaucoup à la sensibilité et à la créativité de son concepteur.

Pour composer cette partition lumineuse, quels grands principes suivez-vous ?

Garder le point de vue du spectateur à l’esprit est un fondamental.  Selon sa position dans la salle, le visuel scénique diffère, mais à quelque endroit que ce soit, il doit emmener chacun là où la mise en scène désire aller. Bien sûr, il y a des incontournables. La sensation de luminosité diminue ainsi fortement avec la distance : en fonction de l’inverse de son carré. On sait aussi que l’œil a besoin de temps pour accommoder [faire la mise au point, ndlr] selon les variations d’intensité lumineuse. Cet effet peut être utilisé à dessein ! Profiter, pourquoi pas, d’un effet d’aveuglement temporaire pour faire apparaitre ou disparaitre un personnage, ou bien un accessoire.

Apprendre la conception lumière se fait sur maquette / ©Ensatt

Enfin, l’ennui visuel est une préoccupation constante. Ce phénomène d’usure de l’œil s’opère dans la durée : la perception de l’observateur s’émousse alors qu’il s’habitue à la présence de la lumière. Sous l’effet de sa monotonie, du terne, à cause de l’éblouissement ou de la succession d’effets injustifiés, le regard se détourne ou les yeux se ferment. Heureusement, l’ennui redouté peut disparaître subitement, grâce à ce qui se trame sur scène. Ce qu’Ariane Mouchkine, metteuse en scène et fondatrice du Théâtre du Soleil, nomme un « instant de théâtre ». L’attention se trouve relancée.

Donner un spectacle nécessite de plonger la salle dans le noir complet et induit certains effets recherchés. Or, cette règle n’a pas toujours eu cours. Depuis quand la pratique-t-on ?

Suite à un hasard ! Depuis un incident de régie qui a eu lieu en 1876, lors de l’inauguration du Festspielhaus de Bayreuth, en Bavière. Cette salle, conçue par Richard Wagner pour y exécuter ses opéras était éclairée au gaz. À l’époque, l’usage voulait qu’on mette les lustres de la salle au quart de feu en début du spectacle : on baissait doucement l’arrivée du gaz, et donc la flamme, pour laisser davantage place au visuel scénique. Les exigences de la bourgeoisie qui, dans les loges, se donnait à voir interdisaient toutefois l’obscurité totale. Sur ordre du compositeur allemand, le chef gazier a réduit l’éclairage dès les premiers accords de l’Anneau du Nibelung. Dans l’empressement, il a eu la main lourde et a éteint complètement la salle… Séduit par l’état de réceptivité nouveau induit chez les spectateurs à cette occasion, Wagner a ordonné que les feux ne soient pas rallumés à l’entracte et en aurait, dès lors, adopté le principe. L’évènement a fait scandale à vrai dire, mais l’usage du noir complet a fini par s’imposer et s’est répandu en Europe par la suite.

Rêveries Lumineuses de Léonard 2019- La machine de Vitruve / ©Ensatt

Ce noir total agit sur la perception du spectateur : il permet d’en concentrer l’attention, de favoriser l’écoute et d’augmenter l’impact des effets scéniques sur l’imaginaire. Il isole aussi le comédien qui ne voit plus son public, livrant ainsi un jeu plus naturel et plus concentré. Du côté de la régie, reléguée au fond de la salle, tout le monde agit de concert afin de préserver la fragilité de ce qui se joue sur scène, contribuant à créer un visuel fragile qui n’a pas l’attrait des images rapides et saturées des écrans. Pour conserver l’attention du public, il est question de maintenir le rythme ! Celui de la lumière aussi.

Depuis les premiers théâtres antiques, l’histoire de l’éclairage scénique a connu de nombreux bouleversements techniques. Aujourd’hui, il est question d’une nouvelle révolution ?

Oui, l’arrivée massive des leds et du numérique est un réel changement de paradigme car il modifie le paysage lumineux. La technologie led recèle un potentiel créatif réel. Certes, elle agrandit la palette du concepteur en proposant un accès rapide et immédiat à toute une gamme colorée, car avec une seule source lumineuse, on peut faire varier les teintes instantanément. Mais c’est surtout le fait de pouvoir jouer avec les températures de couleur qui la rend intéressante. Commencer une scène dans un blanc un peu chaud par exemple puis, sans que personne ne s’en aperçoive, passer à un blanc froid : l’effet de montée en tension sur scène est garanti.

Mais l’éclairage led n’est pas une panacée. Les lampes à incandescence, bannies pour leur côté énergivore, offrent une lumière d’une qualité d’ambiance incomparable. Avec le point chaud qui les caractérise, les projecteurs PAR² sont formidables quand il s’agit de mettre en valeur un artiste. Leur faisceau ovale présente un centre très lumineux qui se fond progressivement dans l’obscurité en donnant un éclairage « organique » sur les bords. Le faisceau led n’a pas cette qualité, lui qui garde la même forme et reste homogène quelle que soit l’intensité d’éclairage. Au sein de l’association internationale des « Lightning designers », les concepteurs lumière se mobilisent pour retarder l’arrêt de la fabrication des lampes PAR. Mais nous savons le changement de pratiques inéluctable. Aussi bien pour la conception de l’éclairage que pour la partie technique.

Montage des projecteurs robotisés. / ©Ensatt

Il faut dire que le matériel s’est largement sophistiqué : les projecteurs sont dorénavant robotisés et programmables. Alors qu’autrefois, un projecteur ne nécessitait qu’un seul circuit de commande, aujourd’hui, il peut en compter plus d’une douzaine ! Le technicien qui pilote et assure la programmation des projecteurs asservis est devenu un spécialiste. Le pupitreur – c’est son nom – travaille étroitement avec le concepteur lors de la phase de création, puis assure la restitution des effets pendant la représentation.

À l’Ensatt, vous êtes responsable d’une formation de niveau master en conception lumière, la seule existant à l’échelon national. Comment intégrez-vous ces évolutions technologiques ?

Le master en question se déroule sur trois ans. Notre recrutement est le plus large possible : des jeunes qui ont un Diplôme National des Métiers d’Art et du Design (Bac + 3) avec une formation en régie lumière, mais aussi des étudiants venant de Philosophie, des Beaux-arts, des géographes… Car ce que nous recherchons, c’est avant tout un œil, un regard, une sensibilité… Si la formation est à la fois artistique et théorique, nous nous efforçons de donner aux étudiants le bagage technique maximal sur l’éclairage. Nous faisons une mise à niveau pour certains de sorte à nous assurer qu’ils maîtrisent les outils du régisseur, c’est-à-dire de celui qui met en œuvre les choix du concepteur lumière, lorsqu’ils ont leur diplôme. En effet, en début de carrière, il n’est pas rare de devoir porter les deux casquettes pour faire sa place dans le milieu. L’enseignement pratique est au cœur de la formation : beaucoup de travail en équipe et de mises en situation réelle, sur les planches. Ce qui les attend par la suite !

————————————————

Notes :

[1] RVB : Rouge Vert Bleu

[2] Projecteur PAR : projecteur à réflecteur parabolique aluminisé.

PPour en savoir plus

• Petit nuancier de l’œil du spectateur, De la perception du visuel scénique, OpenEdition Journals, 2015.
• Le Temps des flammes, livre sur l’histoire de l’éclairage scénique, Christine Richier, AS Éditions, 2012.
• C’est quoi la conception lumière à l’Ensatt ?, Instants formation, 2022 (vidéo).