L'acétylène est un gaz combustible instable, il arrive au bec et se dégage par l'orifice au rythme de 21 litres à l'heure environ. Là dans les quelques millimètres qui surmontent le bec, il se mélange à l'air qui, lui, est un comburant (oxydant) . Il ne manque plus qu'un peu d'énergie pour amorcer la réaction chimique de combustion.

Cette énergie est apportée par une étincelle ou une flamme (piezo, briquet, éclairage d'un camarade etc.). Le phénomène produit une flamme dite de diffusion (car les gaz n'ont pas été mélangés avant leur sortie) qui se forme à la surface de contact acétylène / air. Cette combustion est en fait une petite déflagration car sa vitesse est lente (v < 1m/s). Elle peut se changer en détonation si le gaz sous pression s'enflamme spontanément : c'est ce qui se produit rarement lors de l'éclatement d'une lampe acétylène défectueuse et c'est passablement dangereux ! C'est aussi ce qui arrive quand on pêche à la bouteille de carbure de calcium (vieille technique de braconnage presque aussi risquée pour le pêcheur que pour le poisson). C'est alors la pression elle-même qui apporte l'énergie nécessaire à la détonation, détonation qui peut même devenir explosion si le confinement est important (bouteille ou lampe fermée hermétiquement dans les cas ci-dessus). Pour connaître le rôle de la suie, voir la chronique 14.

Cette réaction chimique qu'elle soit simple combustion, déflagration, détonation ou explosion est une réaction d'oxydoréduction qui dégage de la chaleur (exothermique) et des sous produits plus ou moins variés.

La première et la plus élémentaire de toutes est certainement celle qui fait réagir l'hydrogène avec l'oxygène pour créer de l'eau et de l'énergie. H2 + ½ O2 -> H2O + Énergie : voici une équation qui a un bel avenir devant elle dans les futurs moteurs à explosions, non polluants, qui devront à terme remplacer les moteurs à dérivés du pétrole.

La réaction chimique qui se produit sur notre casque n'est hélas pas aussi écologique… On pourrait croire que l'on va produire simplement du gaz carbonique (CO2) et de la chaleur. Hélas il n'en est rien, cette combustion complète serait bien trop simple. La nôtre est plus complexe : elle se produit dans l'air où la présence de l'azote en quantité importante va modifier les paramètres de la combustion (sans pour autant réagir avec les autres composés), de plus le mélange se fait d'une façon très aléatoire et donc bien peu optimale. Au bout du compte la combustion est incomplète et dégage aussi des particules de carbone.

La flamme de la frontale spéléo est très lumineuse alors que celle de votre cuisinière à gaz (butane ou propane) éclaire peu. Vous avez aussi constaté que notre flamme fume beaucoup et noircit le réflecteur (et les parois des cavités !) alors que le fond des casseroles reste presque immaculé, sauf quand le ragoût déborde, pourquoi ?

Ces deux phénomènes -lumière et fumée- sont liés : une flamme propre éclaire peu car seul le CO2 est alors à l'origine du dégagement lumineux. Par contre, lorsque la combustion est incomplète, apparaît une flamme de diffusion avec de multiples recombinaisons chimiques des particules de carbone. Celui-ci va donner par oxydation du CO (en plus du CO2), qui va lui-même se recombiner et former du CO2 etc. Cette combustion, polluante et relativement peu chaude, a un seul avantage : elle dégage beaucoup de lumière : c'est précisément ce que l'on recherche dans le cas qui nous intéresse.

Si l'on apporte à l'acétylène un oxydant plus efficace et bien dosé (oxygène pur) et qu'on mélange ces deux gaz au préalable, on obtient une flamme de prémélange beaucoup plus chaude (3000 °) et ne dégageant presque que du CO2, sans fumée. Vous venez d'inventer le chalumeau oxyacétylénique, dans lequel l'acétylène (C2H2 ) brûle selon la formule suivante : 2 C2H2 + 5 O2 -> 4 CO2 + 2 H2O + 460 kj !

En bref, lorsque votre lampe est bien réglée (on y arrive, même avec une Ariane, si si !!!) et l'atmosphère de la cavité pas trop chargée en CO2, la combustion est optimale avec l'objectif que vous vous êtes fixé : éclairer. Par contre, elle restera quoi qu'il en soit incomplète et salissante…

Au cœur d'une diode se trouve une espèce de sandwich bien particulier. Vous savez tous que les transistors sont des espèces d'interrupteurs commandés à l'électricité : le courant passe ou ne passe pas suivant leur bon vouloir ; pour les diodes le principe est le même. Ces deux composant sont construits avec des composés appelés semi-conducteurs.

Un conducteur est, par exemple, un métal : quand on y applique un courant électrique, il est transmis plus ou moins efficacement le long des atomes du métal. Un isolant au contraire comme le bois sec, ne permet pas au courant électrique de circuler ; ses atome ou molécules ne transmettent pas les électrons. Un semi-conducteur n'est pas un métal mais il lui arrive, sous certaines conditions de transmettre l'électricité.
Sur cette base on a construit en les accolant des jonctions PN (voir illustration). Il s'agit de placer côte à côte deux composés dont l'un manque de quelques électrons pour être équilibré (c'est le P pour Positif) et l'autre en a en trop (c'est le N pour Négatif). Dès qu'un courant arrive dans cette construction, une agitation va se créer, les électrons et les trous positifs vont se précipiter les uns sur les autres pour des raisons d'affinités évidente (les petits canaillous !) : à l'intersection des deux fines pellicules (la jonction) il va donc se passer bien des choses.

Dans un transistor on va ajouter une couche (NPN ou PNP) et souder un fil à la jonction et récupérer le courant produit. Comme il peut y en avoir plus qu'au départ, le transistor est alors devenu un amplificateur de courant. Dans la diode on ne veut pas récupérer du courant électrique mais de la lumière. On va donc coller à la jonction une troisième couche d'un autre composé qui va faciliter l'émission de photons. On monte le tout sur une coupelle qui sert de réflecteur et le tour est joué. Il ne reste plus qu'à choisir les bons produits pour avoir une lumière maximale et de la couleur voulue. Les 30 ans de travaux sur les diodes électroluminescentes ont été consacré à cette tache.

Dans les diodes rouges, inventées dans les années 60, les trois éléments utilisés étaient l'arsenic, le gallium et le phosphore. Plusieurs problèmes restaient à résoudre : le plus important étant d'augmenter le rendement de ces diodes afin qu'un maximum de photons soient produits. L'autre difficulté consistait à produire des photons de couleurs variées, du rouge jusqu'au bleu et bien sûr la lumière blanche tant recherchée. C'est en effectuant de savants mélanges d'impuretés aux cristaux de silicium (aluminium, gallium, indium, tellure, bore ou phosphore), en testant diverses couches de jonction et en travaillant sur la forme de l'ensemble que l'on a pu arriver aux diodes actuelles.

Depuis l'apparition des premiers éclairages à diodes blanches, les spéléologues s'y sont intéressés pour des raisons bien simples. Tout d'abord il n'y a pas de pollution des cavités par la fumée (bien pratique dans les zones fortement concrétionnées) : il faut tout de même nuancer ce label vert par la difficulté de retraitement de certaines piles ou accumulateurs aux composés parfois très toxiques et bien pires que la chaux. Deuxième point indéniable, la facilité d'utilisation : il suffit d'appuyer sur l'interrupteur et de changer les piles de temps en temps ; fini le tuyau qui se coince et la lampe qui fuit. Enfin cet éclairage bénéficie d'une grande autonomie, toujours supérieure à celle des lampes acétylènes, même si on utilise des éclairages puissants à 12 diodes ou plus. Pourtant, très rapidement, les utilisateurs ont commencé à trouver quelques inconvénients à ce système.

Tout d'abord, il faut parler du prix : pour celui qui n'est pas bricoleur, et doit acheter un système complet, il n'y a guère de possibilité de l'amortir sur l'économie réalisée par l'arrêt d'achat de carbure de calcium. Il reste malgré tout l'espoir que le tarif baisse rapidement quand la fabrication se fera en grande série, patience donc. Mais ce n'est pas le seul problème inhérent à ce type d'éclairage.

Après un sondage effectué dans le milieu spéléologique, les utilisateurs des diodes blanches regrettent surtout le manque de chaleur de cet éclairage. Le mot chaleur est à prendre ici dans ces deux sens : propre et figuré. Tout d'abord l'absence de lampe acétylène prive l'utilisateur d'une source de chaleur auxiliaire bien pratique dans certaines situations critiques : incident provoquant le blocage des spéléos sous terre pour une longue durée, accident demandant la mise au chaud du blessé sous une couverture de survie. La température de la lampe est également bien utile dans des cas beaucoup moins dramatiques, de simple fatigue ou de froid intense, où la présence de la calebombe chaude est très agréable. L'autre chaleur est plus subjective, il s'agit de la couleur de la lumière dégagée par les diodes blanches. Bien souvent cet éclairage a une dominante bleutée (donc d'après le vocabulaire usuel, une teinte froide), alors que la lumière dégagée par la flamme acétylène est plutôt d'un blanc orangé beaucoup plus chaud. Autre inconvénient : l'éclairage à diodes est beaucoup plus directif que celui à flamme et, pour les diodes de dernière génération très puissantes, il éblouit énormément les coéquipiers.

La combinaison de tous ces facteurs est pour certains utilisateurs rédhibitoire et ils ont décidé de revenir à l'ancienne lampe à carbure de calcium. Pour d'autres les avantages dépassent les inconvénients et une fois habitués à la couleur de la lumière des diodes, ils en sont rapidement devenus des inconditionnels. Il semble malgré tout que cet éclairage pâtit surtout, pour l'instant, d'un prix de revient trop élevé et que son avenir soit assuré si des modèles plus économiques voient le jour.

5.     CONCLUSION

Comme l'indiquait le titre de cet article j'espère avoir fait toute la lumière sur ce sujet brillant. Malgré mes efforts, il n'est pas encore clair comme de l'eau de roche ? Et dire que je pensais vous avoir fourni des explications lumineuses. A moins qu'il ne vous ait manqué une étincelle de génie pour en saisir tout l'éclat… Allez, ne broyez pas du noir, tant que la flamme de la passion spéléologique brûlera en vous, il restera une lueur d'espoir.

Le jour viendra que, par une étude de plusieurs siècles, les choses actuellement cachées paraîtront avec évidence, et la postérité s'étonnera que des vérités si claires nous aient échappé.
SENEQUE (-4 av J-C / + 65 ap J-C)