III - DES BESOINS D'ACCÈS EN CROISSANCE FORTE
Les performances des faisceaux des synchrotrons ont ouvert de nouveaux champs de connaissance. C'est la raison essentielle de leur utilisation croissante.
Pour toute technologie en développement, l'estimation des débouchés futurs est toujours difficile à réaliser.
Par hypothèse, l'interrogation des utilisateurs risque de conduire à une surestimation des besoins. A l'inverse, une enquête sur les investissements ou les dépenses prévues par les utilisateurs réels et potentiels peut conduire à une sous-estimation des besoins réels, dans la mesure où l'importance relative de l'innovation n'est pas perçue clairement et où la valorisation financière peut être dissuasive.
Pour autant, il ne semble pas que l'on puisse légitimement dire aujourd'hui qu'il n'y a pas d'indices fiables sur les besoins futurs en temps de faisceau.
S'agissant du rayonnement synchrotron, les prévisions doivent aussi opérer une distinction entre les deux principales gammes de longueurs d'onde : VUV - X " mous " d'une part, et X - X " durs " d'autre part. Là encore, différentes évaluations existent, qui permettent de cerner les contours de l'évolution future.
1. L'insuffisance actuelle de l'offre française de rayonnement synchrotron
Les nombreuses données statistiques qui existent de par le monde sur les demandes d'accès aux lignes de lumière des synchrotrons, montrent un écart significatif entre le nombre de demandes présentées et le nombre de demandes acceptées.
Ainsi, en 1999, la demande exprimée en (heures x instruments) adressée au LURE a représenté 155 % du temps alloué, un pourcentage à peu près stabilisé cinq ans après la mise en service des équipements (voir figure suivante).
Figure 6 : Ecart entre la demande exprimée en (heures x instruments) et l'allocation effective au LURE
Le même écart s'est élevé à 205 % pour la part française de l'ESRF, cinq ans après la mise en service de l'appareil (voir figure suivante).
Figure 7 : Ecart entre la demande exprimée en heures x instruments et l'allocation effective à l'ESRF (part française)
La même insuffisance se constate pour l'ESRF considéré dans son ensemble (voir figure suivante). En 1999, la demande de (jours x instruments) a atteint 210 % de l'allocation effective.
Figure 8 : Ecart entre la demande exprimée en (jours x instruments) et l'allocation effective à l'ESRF considéré dans son ensemble
D'après le Président de la Table ronde européenne du rayonnement synchrotron, M. Giorgio MARGARITONDO, la demande de temps d'accès à des lignes de lumière est en moyenne supérieure de 150 % à l'offre disponible. Dans le cas particulier du synchrotron italien ELETTRA implanté à Trieste, la demande d'accès atteint même 260 % de l'offre.
La discussion de ces indicateurs ne ruine pas leur pertinence.
Il est évident qu'une nouvelle technique tend à révéler des besoins et que ceux-ci se multiplient au fur et à mesure qu'elle est mieux connue. Toutefois, la persistance d'un déficit entre l'offre et la demande après cinq années semble établir une insuffisance chronique des ressources disponibles en France, au LURE et à l'ESRF.
On pourrait également se demander si l'écart entre les demandes présentées et les demandes acceptées ne provient pas d'une insuffisance de qualité des demandes.
D'après les indications données à vos Rapporteurs lors des visites des différents centres de rayonnement synchrotron qu'ils ont visités, la raison dominante des refus d'accès est, non pas l'insuffisante qualité scientifique des demandes jugée par un comité de programme opérant une sélection des projets, mais bien une insuffisance des capacités disponibles.
En tout état de cause, alors que les techniques mises en oeuvre sur les synchrotrons continuent de progresser en termes de performances, on ne voit pas que l'écart entre l'offre et la demande puisse se résorber dans les années à venir, à nombre de synchrotrons constants.
Au contraire, si les deux sources LURE et SRS devaient disparaître au profit du seul synchrotron DIAMOND, l'insuffisance de lignes de lumière ne pourrait que s'approfondir.
C'est ce qu'a exprimé le Président de la Table ronde européenne en indiquant, d'une part, qu'il existe un déficit en Europe en termes de lignes de lumière disponibles et, d'autre part, que la disparition sans remplacement un pour un des sources LURE et SRS serait un " changement radical " en Europe.
Une raison fondamentale en est l'utilisation croissante du rayonnement synchrotron pour établir la structure des macromolécules (voir graphique suivant).
Figure 9 : L'importance croissante du rayonnement synchrotron pour l'élucidation des structures macromoléculaires
Ce phénomène est particulièrement accentué dans le domaine de la biologie. La résolution des structures des protéines qui pouvait s'effectuer avec des instruments de laboratoires, bascule, dans tous les pays, vers les synchrotrons, ainsi qu'en témoigne le graphique suivant réalisé par le laboratoire de l'EMBL (European Molecular Biology Laboratory) implanté sur le site des synchrotrons du Hasylab de Hambourg.
Figure 10 : Comparaison du total mondial de publications de biologie structurale résultant de travaux conduits sur des synchrotrons ou sur des sources propriétaires
Les raisons de ce recours accru aux synchrotrons sont bien connues. La qualité des images obtenues et la rapidité d'exécution des clichés coïncident avec les impératifs de la recherche moderne engagée en biologie moléculaire dans une course de vitesse, accélérée par la concurrence et par les perspectives de la brevetabilité du vivant.
Au demeurant, si des statistiques comparables ne semblent pas disponibles pour les autres disciplines, il est incontestable que les sciences physiques ont, elles aussi, multiplié leur appel aux synchrotrons.
2. Les prévisions des besoins futurs
La prévision des besoins futurs en matière de rayonnement synchrotron est un exercice difficile. Néanmoins, plusieurs approches ont été développées dans les années récentes, qui donnent des indications à prendre en considération.
L'une des plus intéressantes est celle présentée par M. Yves FARGE, qui possède une expérience de la recherche à la fois universitaire et industrielle.
La capacité souhaitable à 20 ans pour la France, telle qu'elle est estimée par M. Yves FARGE, devrait être multipliée par près de 2, par rapport à la situation actuelle qui repose exclusivement, comme on sait, sur les deux sources du LURE, DCI et Super-ACO.
Ce sont les besoins en temps de faisceau des sciences de la vie qui devraient croître le plus vite. Cette indication quantifiée est recoupée par les nombreuses observations qualitatives rassemblées par vos Rapporteurs. La cristallographie des protéines mais aussi les autres techniques appliquées à la biologie sont en effet la source de demandes d'accès en croissance forte qui, selon toute vraisemblance, devrait se prolonger.
On notera aussi que la recherche appliquée et les sciences de l'univers devraient doubler leurs demandes dans les 20 années à venir. La physique et la chimie augmenteraient les leurs respectivement d'un facteur de 1,2 et 1,5.
Tableau 3 : Estimation des capacités annuelles souhaitables en France à 20 ans
|
nombre de projets |
capacité annuelle actuelle |
estimation de la capacité souhaitable à 20 ans |
facteur multiplicatif |
|
Sciences de la vie |
80 |
240 |
3 |
|
Sciences de l'univers |
40 |
80 |
2 |
|
Recherche appliquée (dont micro-fabrication) |
320 |
640 |
2 |
|
Chimie |
160 |
240 |
1,5 |
|
Physique |
200 |
240 |
1,2 |
|
Total |
800 |
1440 |
1,8 |
Il paraît également utile d'indiquer que le rapport Birgeneau relatif aux synchrotrons du Département de l'énergie américain estime que "la croissance du nombre d'utilisateurs des synchrotrons et plus particulièrement leur diversification croissante continuera au moins dans la prochaine décade et que les ressources correspondantes doivent leur être fournies " .
Une discussion des éléments précédents est néanmoins nécessaire, dans la mesure où plusieurs facteurs conditionnent les perspectives tracées précédemment.
La pénétration des techniques développées avec les synchrotrons dans le milieu scientifique entraîne un double effet.
La qualité des résultats obtenus avec les lignes de lumière d'un synchrotron exerce un effet incitatif puissant, au demeurant largement relayé par leur publication dans des revues prestigieuses comme Nature et Science. Les difficultés d'accès aux synchrotrons, à savoir la nécessité de construire un projet de recherche, d'en faire un rapport et de le soumettre à un comité de programmes et les délais d'obtention d'une réponse, peuvent au contraire exercer un effet dissuasif et conduire les chercheurs à trouver d'autres moyens techniques.
Un autre facteur difficile à cerner est celui de la concurrence de l'amélioration de techniques actuelles ou de techniques nouvelles qui pourraient surgir dans l'intervalle de temps considéré.
Par ailleurs, certains observateurs ont pu avancer que la croissance des besoins de la biologie masquait une diminution des demandes des autres disciplines. En réalité, il n'en est rien car cette évolution se place dans le cadre d'une évolution globale d'augmentation du nombre d'utilisateurs, toutes disciplines confondues, y compris en cas d'augmentation du nombre de lignes disponibles.
A cet égard, l'évolution des Etats-Unis est particulièrement intéressante à examiner entre 1990 et 1997. Aux deux synchrotrons de 2 ème génération gérés par le Department of Energy - Basic Energy Sciences, se sont en effet ajoutés deux synchrotrons supplémentaires de 3 ème génération.
Une première évolution s'est alors produite : l'envolée de la part des travaux des sciences de la vie et des géosciences et des sciences de l'environnement, selon le graphique suivant.
Figure 11 : Evolution des parts respectives des différentes disciplines dans l'utilisation des synchrotrons du DOE (Etats-Unis)
Mais une autre évolution tout aussi importante est intervenue, à savoir la croissance globale du nombre d'utilisateurs. Ainsi, le nombre d'utilisateurs est passé de 1642 en 1990 à plus de 4500 en 1997, avec un accroissement observé dans toutes les disciplines (voir figure suivante).
Figure 12 : Evolution du nombre d'utilisateurs par discipline pour les synchrotrons du DOE-BES aux Etats-Unis,
Au demeurant, l'expérience de l'ESRF, un synchrotron de 3 ème génération de 6 GeV préfigure dans une certaine mesure, le partage des activités des nouvelles machines qui pourront être construites avec des performances voisines pour des énergies inférieures de moitié.
Figure 13 : Répartition du temps machine de l'ESRF en 1997-1998 par champ scientifique
On voit donc que, même avec un synchrotron de grande énergie, particulièrement bien placé dans le domaine des sciences de la vie, celles-ci représentent entre 1/7 et 1/8 du temps alloué.
D'autres disciplines que la biologie moléculaire ont donc besoin de rayons X -X " durs " et doivent être prises en compte dans tout projet de nouveau synchrotron.
3. Les besoins en différentes gammes de longueurs d'onde
Dans l'analyse des besoins futurs en rayonnement synchrotron, un sujet est particulièrement important, c'est celui de la répartition entre ce que l'on peut appeler schématiquement les rayons VUV - X " mous " et les rayons X -X " durs " . A la question des longueurs d'onde, s'est greffée la question des besoins comparés des différentes disciplines, souvent d'ailleurs d'une manière impropre, de sorte qu'il semble important de l'examiner en détail.
Pour simplifier, on dira d'une part que les rayonnements électromagnétiques de la gamme VUV -X " mous " sont produits par des synchrotrons d'énergie faible ou moyenne, et sont principalement utilisés pour les études de surface ou la dynamique des macromolécules.
On dira d'autre part que la gamme X - X " durs " nécessite un synchrotron d'une énergie plus élevée et permet les études de la matière en volume et de la structure détaillée des molécules.
L'évaluation des besoins selon la gamme des longueurs d'onde est donc importante pour la détermination des caractéristiques d'un projet de synchrotron.
Selon M. Paul CLAVIN, " les besoins prioritaires des 20 prochaines années, notamment pour la cristallographie des protéines en biologie structurale, nécessiteront une augmentation des postes d'expériences en rayons X - X ` durs ` issus d'éléments d'insertion sur des sources de 3 ème génération, de préférence de plus de 2,5 GeV. C'est du moins l'opinion générale à la mi-1999 " .
Lors de son audition par vos Rapporteurs, M. Paul CLAVIN a indiqué que les responsables britanniques et américains s'attendent que les besoins en X - X " durs " croissent jusqu'à représenter 80 % de l'activité totale en rayonnement synchrotron dans les 20 ans à venir, l'essentiel du glissement devant être le fait des utilisations pour la biologie structurale.
L'évaluation fournie à vos Rapporteurs par M. Yves FARGE n'est pas éloignée, si les causes en sont différentes. Dans les 20 prochaines années, les demandes porteront à 70 % sur les rayons X proprement dits et à 30 % sur les rayons X " mous " . Pour M. Yves FARGE, la raison fondamentale de cette évolution est que toutes les disciplines, et pas seulement la biologie, font un appel croissant à des rayonnements qui puissent pénétrer la matière.
Pour M. Yves PETROFF, la répartition devrait être de 60 % pour les rayons X -X " durs " et de 40 % pour les rayons UV et X " mous " .
Par ailleurs, la priorité recommandée aux Etats-Unis par le rapport Birgeneau est de financer l'amélioration des synchrotrons produisant des rayons X - X " durs " .
En tout état de cause, il ne faut pas déduire des chiffres précédents que la biologie structurale représentera l'application la plus importante du rayonnement synchrotron, même dans la gamme des rayons X.
Selon M. Yves PETROFF, les sciences physiques devraient représenter 70 % du temps de faisceau en rayons X. Au reste, on peut estimer que les progrès des détecteurs et une automatisation au moins partielle des manipulations viendront diminuer les temps d'immobilisation des stations expérimentales spécialisées dans la cristallographie des protéines. Par ailleurs, les rayons VUV - X " mous " sont également utilisés par la biologie.
Pour l'ensemble de ces raisons, l'estimation de 2/3 pour les X - X " durs " et 1/3 pour les UV - X " mous " paraît à retenir pour les besoins en différents types de rayonnements produits par les synchrotrons.
4. La concurrence des autres méthodes d'analyse fine de la matière
Une autre question a été abordée à de multiples reprises par vos Rapporteurs, à savoir la concurrence actuelle ou potentielle d'autres méthodes d'analyse fine de la matière, qui pourraient éventuellement se substituer au rayonnement synchrotron.
A cet égard, deux points sont essentiels, d'une part l'avenir de la méthode dite de résonance magnétique nucléaire (RMN) et d'autre part la question générale de la complémentarité ou de la concurrence des différentes techniques d'analyse fine de la matière.
4.1. La résonance magnétique nucléaire
L'avenir de la résonance magnétique nucléaire, ses avantages et ses inconvénients par rapport au rayonnement synchrotron ont été abordés à plusieurs reprises par vos Rapporteurs avec différents interlocuteurs.
La RMN présente en effet l'avantage de permettre d'étudier les structures moléculaires en solution, sans qu'il soit nécessaire d'opérer une cristallisation préalable, au contraire de la cristallographie à rayons X produits par le synchrotron. Compte tenu des difficultés de la cristallisation des protéines, il s'agit d'un avantage évident pour les sciences du vivant. Un autre avantage de cette méthode est également de permettre l'étude des interactions des molécules avec leur solvant.
Toutefois, la RMN présente l'inconvénient de nécessiter que l'on synthétise les macromolécules à étudier en les enrichissant en atomes d'azote 14 et de carbone 13. Un deuxième inconvénient est de nécessiter la préparation d'échantillons de taille relativement importante. Par ailleurs, il s'agit d'une méthode qui ne délivre ses résultats qu'avec une certaine lenteur. Enfin, et c'est ce qui explique la préférence donnée au rayonnement synchrotron par un très grand nombre de laboratoires pharmaceutiques, la RMN ne peut pour l'instant déterminer les structures que de molécules ne dépassant pas la masse moléculaire de 30 000.
L'avenir de la RMN n'est pas pour autant fermé. La frontière des 600 MHz a déjà été franchie. Pour analyser la structure de molécules de masse moléculaire de 100 000, il faudrait atteindre 1 GHz. Certains pays, comme les Etats-Unis et le Japon, envisagent de constituer un réseau de machines à 600 MHz implantées dans les laboratoires et effectuant les travaux préliminaires au passage sur un équipement à 1 GHz. Deux types de critiques sont émis contre ces perspectives. D'une part, l'utilité de machines à 1 GHz est mise en doute par certains experts. D'autre part, le passage à 1 GHz n'est pas attendu avant 5 à 10 ans, au minimum par d'autres experts.
Au total, la RMN apparaît devoir rester plus complémentaire que concurrente du rayonnement synchrotron.
En réalité, dans cet examen il faut aussi intégrer l'évolution technique des synchrotrons eux-mêmes, qui ne sauraient être considérés comme figés.
A cet égard, les prévisions établies par M. Yves FARGE, montrent que le nombre de projets qui devraient faire appel au rayonnement synchrotron en France dans les 20 ans qui viennent, devrait diminuer sur un synchrotron de 1 ère génération, augmenter d'un facteur de près de 6 sur un synchrotron de 2 ème génération et passer de 0 actuellement à 770 sur les synchrotrons de 3 ème génération.
Tableau 4 : Prévisions de capacités souhaitables en France à 20 ans selon la génération des synchrotrons considérés
|
nombre de projets |
Capacité annuelle actuelle |
Capacité annuelle souhaitable à 20 ans |
facteur multiplicatif |
|
Expérimentations sur synchrotron de 1 ère génération |
480 |
320 |
0,7 |
|
Expérimentations sur synchrotron de 2 ème génération |
120 |
670 |
5,6 |
|
Expérimentations sur synchrotron de 3 ème génération |
0 |
770 |
Si l'on prend comme hypothèse que la résonance magnétique nucléaire va progresser, il faut faire la même hypothèse pour le rayonnement synchrotron, dont les progrès viendront non seulement des dispositifs d'insertion comme les onduleurs, mais également de l'optique des lignes de lumière et de leur instrumentation, notamment au niveau des détecteurs.
En l'occurrence, la complémentarité actuelle de la RMN et du rayonnement synchrotron pourrait se confirmer à l'avenir, au fur et à mesure de leurs améliorations respectives.
Au reste, la complémentarité de ces deux méthodes semble valoir pour l'ensemble des méthodes d'analyse fine de la matière.
4.2. La complémentarité des méthodes d'analyse
Les nombreux avis rassemblés par vos Rapporteurs convergent sur le fait que les différentes méthodes d'analyse fine de la matière se complètent plutôt qu'elles ne s'excluent.
Ainsi, les lasers de puissance, les sources de neutrons, le rayonnement synchrotron et la résonance magnétique nucléaire, et bientôt les lasers à électrons libres, ne peuvent être considérés comme pouvant se substituer les uns aux autres. La raison en est que chacune de ces méthodes apporte des informations d'une nature et d'une utilité particulière, sous des conditions expérimentales au demeurant différentes.
En toute hypothèse, il semble peu probable qu'un saut technologique dans l'une ou l'autre des méthodes concurrentes du rayonnement synchrotron puisse menacer l'actuelle prédominance du rayonnement synchrotron et a fortiori le rendre obsolète.
Selon les informations rassemblées au Royaume Uni, au Rutherford Appleton Laboratory (Didcot), il semblerait au contraire que les recherches les plus innovantes combinent les expériences conduites avec plusieurs techniques, par exemple les sources de neutrons et le rayonnement synchrotron.
La conséquence pratique qui est tirée de cette évolution par le " Central Laboratory of the Research Councils " (CLRC) est de concentrer les grands instruments sur le site de Didcot, qui possède déjà la source de neutrons pulsés ISIS la plus puissante du monde, le laser de puissance Vulcain et aspire à accueillir non seulement le synchrotron de 3 ème génération DIAMOND mais également la future source européenne ESS de neutrons produits par spallation.
Au total, et conformément à l'évolution technique des dernières années, il semble plus probable que l'on assiste dans les dix à vingt années qui viennent au développement simultané des différentes méthodes d'analyse plutôt qu'à la disparition de l'une d'entre elle au profit des autres.
A cet égard, il n'est pas indifférent de noter que le rayonnement synchrotron continue d'évoluer à un rythme rapide avec des marges de progrès considérables.