1 L’âge des matériaux technologiques. Des ressources à nos GSM, des GSM à des ressources. Animation pédagogique 5e-6e secondaire Dossier de l'enseignant Dossier réalisé par Fanny LAMBERT (GeMME ULg) et Céline RUESS (Maison de la Métallurgie et de l’Industrie de Liège). Merci à toutes les personnes qui ont participé à la rédaction de cet dossier pédagogique, en particulier, chez GeMMe, Maxime Evrard, Mohamed Aâtach et Julie Vanheyste, ainsi que Marie d’Udekem-Gevers (UNamur) pour ses conseils en histoire de l’informatique. 2 Table des matières I. L’animation Homo informaticus. L’âge des matériaux technologiques. I.1. Informations pratiques I.2. Déroulement et objectifs de l’animation. I.2.1. Savoirs disciplinaires I.2.2. Atelier des ressources à nos GSM, de nos GSM à des ressources. I.2.3. Homo informaticus. Electronique et informatique. p. 2 II. Matériaux et ressources II.1. Les matériaux utilisés dans les GSM II.2. Les ressources II.2.1. Exploitation minière II.2.2. Du minerai au métal. II.3. Fiches explicatives par élément II.4. Vers une économie circulaire p. 4 III. Quelques repères de l’histoire de l’informatique III.1. Avant l’ordinateur III.2. L’ordinateur III.3 Les circuits électroniques III.4. Les mémoires III.5. L’évolution des usages III.6 Orientation bibliographique p. 3 p. 5 p. 7 p. 9 p. 14 p. 15 p. p. p. p. 17 19 21 22 I. L’animation Homo informaticus. L’âge des matériaux technologiques. I.1. Informations pratiques Lieu : Maison de la Métallurgie et de l’Industrie de Liège Durée : 2h. Max 50 élèves par animation (2 groupes de 25 élèves : visite de l’expo + atelier Gsm) Pour les besoins de l’atelier, 5 GSM hors d’usage sont nécessaires par 25 élèves participants. I.2. Déroulement et objectifs de l’animation. Approche générale : - participation active de l’élève ; observation, questionnements - mise en perspective sociétale et historique de la science et de la technique. I.2.1. Savoirs disciplinaires Les contenus abordés dans l’animation concernent prioritairement les cours de chimie et d’informatique. Ils trouveront également un écho dans d’autres disciplines : géographie (répartition des ressources minérales, sciences de la terre - géologie), sciences sociales, physique (une application de l’électronique) et mathématiques (origines de l’informatique). I.2.2. Atelier des ressources à nos GSM, de nos GSM à des ressources. A la découverte et la compréhension de notre environnement, nous nous sommes mis à exploiter toutes les ressources naturelles disponibles. Aujourd’hui, il n’y a pratiquement aucun élément du tableau de Mendeleïev qui ne trouve son champ d’application spécifique : du lithium dans les batteries à l’indium dans les écrans en passant par le tantale dans les condensateurs. Baignant quotidiennement dans un tel univers d’abondance, nous en oublions d’où proviennent ces ressources et nous ignorons souvent que des dizaines de mines ont dû être ouvertes pour assouvir notre besoin de consommation. Partons à la découverte des matières premières utilisées dans un objet du quotidien, le GSM. Disséquons-le, observonsle, étudions-le. Il renferme en fait des matériaux insoupçonnés, souvent exploités à l’autre bout du monde… PHASE 1 : Quels sont les éléments chimiques contenus dans nos GSM ? A quoi servent-ils ? Nous imaginons bien que le GSM doit contenir des plastiques, du lithium, présent dans les fameuses batteries que se dégradent moins rapidement, de l’indium, élément incontournable des écrans plats… Mais nous attendons-nous à ce que le GSM contienne 52 éléments chimiques parmi 118 éléments du tableau périodique ? Dès lors, nous pouvons imaginer l’étendue des ressources naturelles qu’il a fallu exploiter à travers le monde pour donner vie à cet objet du quotidien. Nous connaissons certaines propriétés physiques et chimiques de métaux de la vie quotidienne. Le cuivre par exemple, utilisé pour conduire le courant dans les câbles électriques, est également présent dans notre GSM, car il permet les connections entre les différentes parties de la carte électronique. D’autres éléments chimiques nous sont par contre complètement inconnus, c’est le cas du tantale. Où est-il ? A quoi sert-il ? Arrêtons-nous quelques minutes pour le traquer à travers la carte électronique. Enfin, certains métaux sont utilisés pour des raisons insoupçonnées. L’or, le métal précieux par excellence, est recherché par l’homme depuis toujours pour fabriquer des bijoux ou pièces de monnaie. Saviez-vous qu’il était également capital dans l’industrie de l’électronique ? Durant cette phase, les élèves sont répartis en groupe. 1. Ils démantèlent un GSM et répartissent les différentes pièces en plusieurs groupes de matériaux qui leur semblent contenir des substances similaires. Par exemple, répartir les différentes pièces dans les groupes suivants : les plastiques, l’acier, l’aluminium, la batterie, la carte électronique et l’écran. A ce stade, les observations permettent une première réflexion sur la problématique du recyclage (démantèlement parfois difficile d’un objet qui n’a pas été conçu pour le recyclage, matériaux mélangés....) 2. En observant les pièces démantelées, les élèves cherchent à identifier des éléments ils contiennent. 3. En s’aidant de leurs observations, du tableau périodique des éléments et de fiches explicatives, les élèves idnetifient 10 matériaux et leur utilisation dans le GSM. Pour certains matériaux, ils manipulent un échantillon. PHASE 2 : Quelles ressources naturelles ont dû être exploitées pour fabriquer mon GSM ? Dans quels pays/régions sont exploitées les ressources nécessaires pour fabriquer mon GSM ? Nous avons vu le grand nombre d’éléments chimiques contenus dans notre GSM. Attelons-nous maintenant à découvrir dans quelles ressources naturelles sont présents tous ces éléments, et où elles sont exploitées à travers le monde. Les élèves manipulent des échantillons et s’aident des fiches explicatives « ressources » pour déterminer les minerais associés aux métaux vus en phase I. Ils repèrent quelques pays producteurs sur un planisphère. PHASE 3 : Réflexion sur les enjeux de la disponibilité des ressources et du recyclage Comment se passe l’exploitation des ressources nécessaires pour fabriquer mon GSM ? Que devient mon GSM une fois que je le jette ? Comment faire pour récupérer les ressources et leur donner une nouvelle vie ? Une visite commentée de la salle du musée consacrée aux métaux non ferreux permet de relier ces enjeux à la tradition métallurgique du pays de Liège. Echantillons, maquettes, archives et gravures illustrent le cas de l’industrie du zinc. I.2.3. Homo informaticus. Electronique et informatique. Visite commentée de l’exposition « Homo informaticus. A la recherche de la civilisation numérique », poncutée d’activités sur le codage de l’information. L’enjeu des ressources en « matériaux technologiques » est lié à l’évolution rapide de l’électronique et du secteur des TIC. Les matériels informatiques, rapidement obsolètes, sont remplacés et recyclés. Quel est le rôle de l’électronique dans cette évolution ? Nous savons qu’avant les écrans tactiles des smartphones, il y avait des ordinateurs de bureau. Mais nous ignorons souvent que le PC ne marque pas le début de l’aventure. Le patrimoine informatique nous permet de plonger aux sources de culture numérique, dont l’histoire a déjà plus de 70 ans. En quoi l’électronique est-elle à la base de la révolution du numérique ? Quel est le rôle des circuits électroniques dans l’ordinateur et comment ont-ils évolué ? Cependant, l’évolution des matériels ne suffit pas à expliquer l’histoire de l’informatique : la notion de code et de programmation est essentielle. Comment utilisait-on l’ordinateur avant le smartphone ? L’observation de différentes interfaces permet de comprendre l’évolution des usages de l’informatique, d’abord dans le monde du travail, bureau mais aussi usine, puis dans les loisirs et la vie quotidienne, avec l’émergence d’un monde « connecté ». 3 II. Matériaux et ressources II.1. Les matériaux utilisés dans les GSM Les matériaux utilisés dans les GSM peuvent être classés en différentes catégories : a. Les plastiques : coque, clavier, etc. b. L’écran : verres, écran LCD (Liquid Crystal Display : deux plaques de verre prennent en sandwich différents composants électroniques dont des électrodes transparentes (indium) et une solution de cristaux liquides) c. La batterie : généralement lithium-ion 4 d. L’aluminium et/ou l’acier : ils forment la structure du GSM. Pour savoir si la structure est en aluminium ou en acier, il faut se fier à la densité de l’aluminium (plus faible que celle de l’acier) et au fait que l’acier est magnétique => attention, certains aciers inoxydables sont faiblement magnétiques, mais dans la plupart des cas pour cette application, nous aurons une structure en acier inoxydable magnétique. e. La carte électronique : elle contient 40% de métaux Cuivre : pour le réseau électrique de la carte et dans les puces électroniques Or : pour les connections et parce qu’il est très stable chimiquement, il est plaqué en très fines couches à plusieurs endroits sur la carte et est aussi présent dans les puces électroniques Nickel : il est placé sous les plaquages d’or Etain : dans les soudures Tantale : dans les condensateurs Silicium : dans les puces électroniques Acier, Alliage Cu-Ni-Zn : pour le blindage de la carte électronique, élément métallique qui protège une ou plusieurs puces électroniques. Néodyme : dans les aimants du moteur qui permet de faire vibrer le GSM, dans les aimants du micro Etc. II.2. Les ressources II.2.1. Exploitation minière Minerai : roche qui contient des matériaux exploitables économiquement à l’heure actuelle. En fonction des évolutions techniques et des évolutions du marché, et donc en fonction du temps, une roche peut devenir un minerai ou un minerai peut ne plus être un minerai. Gisement : Concentration minérale exploitable économiquement à l’heure actuelle ( ≠ « gîte »), ou plus simplement lieu où se trouve le minerai. Exemple: mine de Chuquimata, sur le gisement des Porphyry Copper au Chili. Le minerai de cuivre y est présent sur de grand volumes, mais en faible concentration. Des tonnes de roches sont donc déplacées (par camions de 400 t.) et fragmentées pour obtenir seulement 1.7% de chalcopyrite (minerai de cuivre), soit une teneur de 0.6% en cuivre. Cela se justifie par le cours actuellement élevé de ce métal, et les conditions avantageuses de l’extraction, à ciel ouvert. L’excavation atteint déjà une profondeur de 850m. 5 Pour fabriquer un GSM ou une tablette, il faut mobiliser un grand nombre de ressources. Par exemple, pour réussir une bonne tablette en 2013… … il faut plus de 300 kg de roches venues du monde entier! • • • • • • • • • • • • • • • • • • ... 250 kg de minerai de Au 40 kg de minerai de Pd 16 kg de minerai de Co 12 kg de minerai de Cu 3 kg de minerai de Li 3 kg de minerai de Ag 1,7 kg de minerai de Ta 1,5 kg de minerai de Sn 1,5 kg de minerai de Ni 750 g de minerai de Zn 500g de minerai de Nd 300g de minerai de Pb 300g de charbon 250g de minerai de Fe 250g de minerai de Ga 200g de minerai de In 200g de minerai de Al 200g de sable blanc D’après PIRARD Eric, «La tablette de Mendeleïev» (diaporame de conférence, en ligne sur http://orbi.ulg.ac.be/ bitstream/2268/163722/1/PUB_13_12_Tablette%20Mendeleiev.pdf) 6 II.2.2. Du minerai au métal. Métallurgie extractive : l’ensemble des opérations conduisant du minerai au métal. Il peut s’agir d’un traitement thermique (pyrométallurgie) ou d’une mise en solution suivie d’une électrolyse (hydrométallurgie). Le minerai, ressource primaire, subit différents traitements pour le préparer à l’extraction du métal. Ces étapes comportent notamment: Le broyage: le minerai est finement concassé, généralement dans un broyeur à boulets (en rotation). La flottation: séparation physique pour purifier, enrichir le minerai. On obtient un concentré qui pourra ensuite être transformé à la fonderie. Exemple de la métallurgie du zinc Au début du 19e siècle, Liège est le berceau d’une importante industrie du zinc exploitant le minerai de Moresnet-La Calamine puis d’autres gisements. La métallurgie thermique du zinc a été abandonnée seulement dans les années 1970 en province de Liège. Aujourd’hui, la production de zinc brut continue dans le Limbourg et dans le nord de la France, avec un processus d’hydro-électrométallurgie. Minerai de calamine (carbonate de zinc), Moresnet, 19e siècle (coll. MMIL) La mine de zinc de Moresnet- La Calamine vers 1850 (coll. MMIL). 7 Creusets avec minerai (oxyde de zinc) + charbon Four à zinc, méthode liégeoise réduc on 8 —> zinc sous forme gazeuse Condenseurs: zinc liquide Espace de circula on des gaz chauds Foyer (chauffe) COURTIER, L., gravure, Coupe longitudinale d’un creuset ellipƟque avec tube renflé, LODIN A ., Métallu rgie du zinc, coll. « Encyclopédie chimique », vve Ch. Dunod, Paris, 1905, fig. 117. Hydrométallurgie du zinc GRILLAGE du concentré de zinc (minerai broyé et enrichi par flo a on) ZnS—> ZnO Oxydes de zinc issu du recyclage Traitement des gaz SO2 —> eau —> acide sulfurique (H2SO4) LIXIVIATION a aque du concentré de zinc par une solu on faiblement concentrée d’acide sulfurique. —> solu on de sulfate de zinc comportant de nombreuses « impuretés ». Boues de déchets de fer, PRECIPITATIONS—> purifica on de la solu on ZnSO4 boues de déchets de plomb + métaux secondaires valorisables ELECTROLYSE cathode Zn2+ + 2e- = Zn - + anode 2H2O(l)= O2(g) + 4e- + 4 H+(aq) II.3. Fiches explicatives par élément CUIVRE Secondaire Primaire Où est présent l’élément/le matériau? Sur la carte électronique La ressource: Chalcopyrite A quoi sert-il ? Le cuivre est un bon conducteur électrique, il permet de relier les différents composants de la carte électronique entre eux. Eclat métallique, couleur laiton à jaune or Comment le reconnaître ? Le réseau pistes (lignes) présent sur la carte électronique est constitué de cuivre. Formule chimique: Formule chimique CuFeS2 Cu0 Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 0.7 à 4% 13% Quels sont les éléments associés ? Quels sont les éléments associés ? S, Fe, Co, Zn, Ag,… Etain (Sn), Nickel (Ni), Zinc (Zn), Or (Au), Argent (Ag), etc. Où ? Quel pays ? Taux de recyclage Comment la reconnaître ? Chili, Pérou, USA >50% FER Secondaire Primaire Où est présent l’élément/le matériau? Structure du GSM en acier La ressource: Hématite A quoi sert-il ? L’acier est un matériau résistant et est utilisé pour rigidifier le GSM. Comment la reconnaître ? Comment le reconnaître ? Eclat métallique ou terreux, couleur rouge à noir L’acier a des propriétés magnétiques, il est attiré par l’aimant. Formule chimique: Formule chimique Fe2O3 Alliage de fer (Fe) et de carbone (C) Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 7% Jusqu’à 70% Quels sont les éléments associés ? O Où ? Quel pays ? Brésil, Australie, Canada et Russie Quels sont les éléments associés ? Carbone (C), manganèse (Mn), chrome (Cr), Nickel (Ni), Molybdène (Mo) Taux de recyclage >50% 9 OR Primaire La ressource: Or natif, électrum Secondaire Où est présent l’élément/le matériau? Sur la carte électronique A quoi sert-il ? Il est utilisé comme connecteur car c’est un très bon conducteur électrique et il résiste à la corrosion Comment le reconnaître ? Comment le reconnaître ? Eclat métallique, couleur jaune or Par sa couleur caractéristique dorée Mais souvent l’or est invisible à l’œil nu car il est de très faible dimension Formule chimique Formule chimique: Au0 Au natif dans des sulfures Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? 1 à30g /t. Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? Quels sont les éléments associés ? Quels sont les éléments associés ? Etain (Sn), Nickel (Ni), Zinc (Zn), Or (Au), Argent (Ag), etc. Si, Ti, Fe, Zr, REE, U,PGM … Où ? Quel pays ? Afrique du sud, Chine, Australie, USA Indium Primaire La ressource: sphalérite, galène Comment la reconnaître ? Eclat métallique, couleur argenté Formule chimique: (Zn, Fe)S, PbS Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? 20 à 200 g/t. Quels sont les éléments associés ? Pb, Zn, Cu, Fe, S, Ge, Ga Où ? Quel pays ? Chine, Canada, JAfrique du Sud, Japon... 50 à 100g/t Taux de recyclage >50% Secondaire Où est présent l’élément/le matériau? Dans l’écran plat A quoi sert-il ? Il constitue les électrodes transparentes de l’écran LCD, prises en sandwich entre deux plaques de verre remplies d’une solution de cristaux liquides Comment le reconnaître ? Il n’est pas visible à l’œil nu, il constitue avec l’oxyde d’étain (IV) une fine couche à l’intérieur de l’écran LCD Formule chimique In2O3 (oxyde d’indium III) Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 234mg d’indium par m² d’écran Quels sont les éléments associés ? SnO2 (oxyde d’étain IV) Taux de recyclage <1% 10 Lithium Secondaire Primaire Où est présent l’élément/le matériau? Dans la batterie La ressource: Micas, potasse Comment le reconnaître ? Couleur variable, éclat vitreux Formule chimique: K(Li, Fe, Al)3(Fe, OH)2(AlSi3O10), Li2CO3 A quoi sert-il ? A produire de l’électricité (électrolyte dans un accumulateur électro-chimique) Comment le reconnaître ? Il est à l’intérieur de la batterie Formule chimique Li+ Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 1% 3,5% Li dans les batteries Quels sont les éléments associés ? Quels sont les éléments associés ? Sn, W Cobalt, manganèse, graphite Où ? Quel pays ? Taux de recyclage Bolivie, Argentine, Chili <1% Silicium Secondaire Primaire Où est présent l’élément/le matériau? Sur la carte électronique, dans les puces noires sable A quoi sert-il ? C’est un semi-conducteur utilisé comme support pour les circuits intégrés (puces) Comment le reconnaître ? Comment le reconnaître ? Etat vitreux, translucide, blanc Il est à l’intérieur des puces électroniques Formule chimique: Formule chimique SiO2 Si0 Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? La ressource: 99% donnée non disponible Quels sont les éléments associés ? Quels sont les éléments associés ? / cuivre, or... Où ? Quel pays ? Taux de recyclage Belgique donnée non disponible 11 Terres rares (ex. du néodyme) Secondaire Primaire La ressource: monazite Où est présent l’élément/le matériau? Dans le haut-parleur A quoi sert-il ? ???Aimant du moteur du haut-parleur (transducteur électroacoustique, convertit signal électrique en son) Comment la/le reconnaître ? Couleur marron, verdâtre à jaune, éclat résineux Formule chimique: (La, Ce, Nd, Th, Y) PO4 Comment le reconnaître ? C’est un aimant, il va attirer l’acier. Il va notamment coller sur le frigo. Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 1 à 17% Formule chimique Nd2Fe14B donnée non disponible Quels sont les éléments associés ? Nb, Ta, Zr, Sc, … Quels sont les éléments associés ? Le fer, le bore, le dysprosium, le praséodyme, le nickel, le cobalt… Où ? Quel pays ? Chine, Australie Taux de recyclage <1% Aluminium Secondaire Primaire Où est présent l’élément/le matériau? Il constitue la structure métallique (qui peut être fabriquée soit en aluminium, soit en acier) La ressource: A quoi sert-il ? Bauxite A rigidifier le GSM Comment la reconnaître ? Eclat terreux, couleur blanc à rouge brique Comment le reconnaître ? Il a une couleur gris-argent, il est relativement malléable, il a une faible densité Formule chimique: Formule chimique AlO(OH) Al0 Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? jusqu’à 50% Quels sont les éléments associés ? Fe, Ti, Ga Où ? Quel pays ? Australie, Guinée, Jamaïque, Indonésie <10% Quels sont les éléments associés ? Magnésium, Manganèse,… Taux de recyclage >50% 12 Etain Secondaire Primaire La ressource: Cassitérite Comment la/le reconnaître ? Où est présent l’élément/le matériau? Sur la carte électronique A quoi sert-il ? Il sert à souder les composants sur la carte électronique Eclat métallique, couleur noire Comment le reconnaître ? Ce sont toutes les petites « pattes » gris-argenté qui permettent de souder les composants à la carte électronique Formule chimique: Formule chimique SnO2 Sn0 Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 0.1 à 1% Quels sont les éléments associés ? W, Cu, Fe Où ? Quel pays ? Malaisie Tantale Primaire La ressource: Coltan (columbo-tantalite) Comment la/le reconnaître ? <0,5% Quels sont les éléments associés ? Argent, cuivre Taux de recyclage >50% Secondaire Où est présent l’élément/le matériau? Sur la carte électronique A quoi sert-il ? Le tantale est utilisé dans les condensateurs, et permet de fabriquer des condensateurs de petites tailles et avec de meilleures performances , mieux adaptés pour des appareils de petite taille comme les GSM Eclat métallique, couleur gris-noir Comment le reconnaître ? Ce sont de petits composants, souvent de couleur jaune-orange Formule chimique: Formule chimique (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6 Ta, Ta2O5 Quelle est la teneur en l’élément dans le gisement? Quelle est la teneur de cet élément dans le GSM? 220g/t de Ta2O5 Quels sont les éléments associés ? Nb, Au, Ag, Co, W, … Où ? Quel pays ? Australie, Brésil, Rwanda 100g/t. Ta Quels sont les éléments associés ? Mn, Ni, Fe, Ag, Cu, polymère Taux de recyclage <1% 13 II.4. Vers une économie circulaire L’accès aux matières premières constitue un enjeu stratégique pour le développement de l’industrie européenne. L’Europe consomme 20% des métaux et n’en produit que 3%. 14 Dans une logique économique linéaire, les matériaux suivent le chemin extraction-transformation-fabricationconsommation-mise en décharge. DEEE : Déchet d’équipement électrique et électronique. Par exemple: ordinateurs, imprimantes, TV, jouet électriques, frigos, lampes… La gestion de ces déchets constitue un défi environnemental. Certains exportateurs contournent la législation sur les DEEE en transférant vers des pays en voie de développement des appareils électriques en fin de vie à titre de seconde main. Une fois que ces appareils ne peuvent plus être réparés, comme le pays destinataire ne dispose pas des technologies de recyclage, les déchets s’amoncellent. Certains font l’objet d’une récupération « sauvage » de matériaux, avec des procédés rudimentaires, toxiques. Sur l’impact environnemental et social du trafic des déchets électroniques hors cadre européen, voir http://future.arte.tv/fr/la-tragedie-electronique En Europe, on parle de plus en plus d’une «économie circulaire». Cette approche permettrait notamment de réduire notre dépendance au niveau de l’approvisionnement en matières premières, en nous tournant vers les ressources qui se trouvent autour de nous: relance du secteur minier mais aussi développement du recyclage. En effet, les DEEEs constituent de véritables « mines urbaines » : 10 000 000 t. produites en UE en 2010 ; 10.14 kg par habitant collectés en 2012 en Belgique ! Le pays fait partie du peloton de tête en matière de collecte.Les DEEE présentent une grande variété et des éléments différents sont associés au sein d’un même objet. Leur recyclage requiert des processus différents, et donc des filières spécifiques. Il y en a déjà par exemple pour les voitures, les circuits imprimés, les câbles électriques, les frigos… La mise en oeuvre du recyclage constitue donc un challenge économique et technique. Les GSM sont parmi les DEEE les plus riches. La batterie est enlevée et suis un processus de recyclage spécifique. Pour recycler les GSM et récupérer notamment les métaux précieux (or, argent) et le cuivre, les appareils sont placés dans un four à haute température. Celle-ci est supérieure à la température de fusion des métaux, si bien que les métaux sont en fusion (métaux liquides). Plusieurs étapes sont ensuite effectuées pour récupérer des métaux de hautes valeurs, mais il n’est pas possible de récupérer tous les matériaux des GSM. Des éléments stratégiques comme les terres rares, le gallium, l’indium ou le tantale sont perdus. Ensuite, ces ressources secondaires sont intégrées au processus métallurgique en complément des concentrés issus de l’exploitation minière (ressource primaire). De manière générale, le recyclage est rarement plus intéressant que l’extraction minière classique. La récupération de certains métaux précieux stimule le recyclage mais d’autres matériaux stratégiques sont présents en trop faible quantité pour que leur exploitation soit économiquement rentable actuellement. Un projet de recherche soutenu par la région wallonne vise à développer ce potentiel pour le redéploiement économique du bassin industriel liégeois. Pour en savoir plus sur ce programme et sur la recherche à l’ULg, voir https://www.ulg.ac.be/cms/c_2083814/fr/les-metaux-renaissentde-leurs-cendres; http://events.ulg.ac.be/mt180/fanny-lambert/ ; http://www.gre-liege.be/reverse-metallurgy/ En-dehors du domaine des TIC, d’autres objets du quotidien deviennent de plus en plus complexes avec l’évolution technologique, ce qui complexifie encore la question du recyclage. tungstène, verre... tungstène., iverre, tungstène, erre, plastique, , Gallium, ndium, cérium, yttrium, cuivre, ode, brome.. mercure, terres rares..... argent, silicium..., plastique... Dans une logique de développement durable, il s’agit aussi de travailler en amont, lors de la conception des produits, pour limiter la production de déchets inutilisables et l’impact environnemental d’un produit tout au long de son cycle de vie: c’est l’éco-conception. III. Quelques repères de l’histoire de l’informatique III.1. Avant l’ordinateur 15 A la fin du 19e siècle, l’industrialisation et le développement de l’administration créent de nouveaux besoins en matière de traitement de l’information. Le télégraphe et le chemin de fer accélèrent la circulation des informations, mais les employés de bureau ne disposent pas d’une technologie équivalente pour traiter plus rapidement un volume croissant de données. III.1.1. La mécanographie Herman Hollerith élabore en 1884 une machine statistique pour mécaniser le dépouillement des résultats du recensement décennal de la population des Etats-Unis. Les informations sont reportées sur une carte perforée. Par exemple, il y a un emplacement pour « homme », un emplacement pour « femme ». Il y a une carte par personne. La tabulatrice, une machine électromécanique, compte (+1 successifs) les perforations aux différents emplacements de la carte, ce qui permet d’élaborer des tableaux statistiques (sur X cartes, il y a Y hommes et Z femmes). Ces systèmes mécanographiques s’imposent dans la première moitié du 20e siècle pour des opérations statistiques mais aussi comptables, par exemple le suivi des comptes des clients d’une entreprise. Ils permettent de diviser le travail administratif en différentes étapes, comme dans une usine. Des opérateurs travaillent en atelier sur des machines spécialisées que l’on peut classer en deux catégories: la saisie des données sur cartes perforées, et le traitement de ces cartes. Le traitement de l’information est donc standardisé et centralisé. A ce moment, la carte perforée standard comporte 80 colonnes, avec des lignes de chiffres. Cela permet d’utiliser un code alphanumérique, différent selon les constructeurs. Une perforation dans une colonne indique un chiffre, deux perforations combinées expriment une lettre. La carte est divisée en zones, par exemple n° de l’article, désignation, prix, nombre en stock,….Le dessin de la carte varie en fonction des besoins de l’utilisateur. La mécanographie est une des sources de l’informatique dans la mesure où il s’agit d’une technologie de traitement automatique de l’information. Cependant, en français, le mot informatique renvoie à l’utilisation d’un ordinateur (stored program computer). III.1.2. Le calcul mécanique Contrairement aux machines mécanographiques, les machines à calculer permettent d’effectuer au moins une des quatre opérations arithmétiques (addition, soustraction, multiplication, division). Les premières, basées sur un système d’engrenages pour le report de retenue, apparaissent au 17e siècle. Il s’agit d’abord d’une curiosité pour savants. Elles deviennent une véritable nécessité scientifique et économique avec l’industrialisation. Dès 1850, le calcul mécanisé s’implante dans les grandes entreprises et administrations, inaugurant l’ère des calculateurs de bureau. Seules les calculatrices électroniques de poche les détrôneront dans les années 1970. Entre-temps, la recherche de calculateurs puissants pour les universités et l’armée aura mené à l’émergence d’une machine entièrement nouvelle: l’ordinateur. III.2. L’ordinateur A partir de la fin des années 1930, différents chercheurs se lancent dans l’élaboration de supercalculateurs utilisant des relais électromécaniques ou des tubes électroniques. La guerre renforce les besoins en puissance de calcul, notamment pour les services logistiques de l’armée aux Etats-Unis ou le décryptage des messages en Grande-Bretagne. En 1945, Eckert, Mauchly et von Neumann posent les bases d’une nouvelle lignée de machines: l’ordinateur, un calculateur électronique dont le programme est enregistré en mémoire centrale, pouvant prendre automatiquement des décisions logiques grâces à une instruction de branchement conditionnel : si…alors…sinon… Les instructions et données sont enregistrées sous forme numérique. La machine peut les lire et les modifier. Le premier ordinateur fonctionne en 1948. Nos tablettes et smartphones reposent encore sur cette architecture dite « von Neumann ». Schéma général d’un ordinateur de type von Neumann (Patterson D.A. & Hennessy J.L., 2005). L’ordinateur est composé d’un processeur (divisé en deux sous-parties, l’unité arithmétique et logique et l’unité de contrôle), d’une mémoire centrale, d’un organe d’entrée et d’un organe de sortie. On distingue le matériel (hardware) et le logiciel (software). 3 Niveaux d’asbtraction: Logiciels d’application 16 Langage de programmation Langage machine Architecture, jeu d’instructions du processeur Circuits électroniques Programme d’ordinateur : expression d’un algorithme donné en un langage d’ordinateur. Algorithme : séquence d’opérations élémentaires permettant d’aboutir à la solution d’un problème donné. Langage d’ordinateur: langage utilisé pour programmer un ordinateur. Initialement, le premier langage utilisé est le langage machine: un langage généralement binaire (n’utilisant que des 0 et des 1) qui gouverne directement les actions d’un ordinateur telles qu’elles sont interprétées par les circuits électroniques. C’était un cauchemar pour les programmeurs. A partir de la fin des années 1950 se répandent des langages dits de haut niveau ou évolués, plus proches de la syntaxe des langages naturels et donc plus faciles à utiliser. III.2.1. A la base du numérique : le binaire Bit : Binary digit : la plus petite unité d’information utilisée dans l’ordinateur en langage binaire : 0 ou 1. Byte : la plus petite unité traitée en une fois par l’ordinateur : un « mot » composé de x bits. Octet : « mot » (byte) de 8 bits, largement le plus courant aujourd’hui. En binaire, les nombres sont exprimés en puissance de 2. Un octet permet donc 28 combinaisons, soit 256 possibiltés. décimal rang rang 10 1 binaire rang 8 rang 4 rang 2 0 1 rang 1 0 = 0x1 1 = 1x1 1 = 2 = 1 0 = (1x2) + (0x1) 3 = 1 1 = (1x2) + (1x1) 4 = 1 0 0 = (1x4) + (0x2) + (0x1) 5 = 1 0 1 = (1x4) + (0x2)+ (1x1) 6 = 1 1 0 7 = 1 1 1 8 = 1 0 0 0 9 = 1 0 0 1 0 = 1 0 1 0 4 décimal centaine binaire dizaine unité 128 64 32 16 8 4 2 1 17 2 3 8= 1 1 238 -128 =110 1 0 110 46 - 64 - 32 = 46 = 14 1 14 - 8 = 6 1 6 -4 =2 1 0 2 -2 =0 III.2.2 : Fonctions logiques Porte logique: un élément de base des circuits électroniques qui constituent les fondements de l’ordinateur. Une porte logique est un assemblage de composants électroniques interconnectés (circuit) qui effectue une opération logique de base, par exemple la fonction ET, la fonction OU ou la fonction NON (inversion). La valeur de sortie dépend des valeurs d’entrée. 0 0 0 ET 0 1 0 ET 0 1 1 ET 0 1 0 1 1 1 OU OU OU 0 0 NON 1 NON 1 1 0 1 Les règles de l’addition en binaire 0 + 0 0 0 + 1 1 1 + 1 10 1 1 OU ET 0 NON ET 1 III.3 Les circuits électroniques III.3. 1. L’électronique. Au début du 20e siècle, les progrès de la science et de la technologie électrique donnent naissance à un nouveau domaine : alors que l’électricité est essentiellement une question d’énergie, l’électronique utilise les variations de grandeurs électriques pour capter, transmettre et exploiter de l’information. L’informatique n’est qu’un domaine d’application parmi beaucoup d’autres de l’électronique, omniprésente dans tous les domaines industriels et scientifiques. On distingue généralement : -appareils analogiques : le signal peut prendre une infinité de valeurs, de façon continue. -appareils numériques : le signal est représenté par un ensemble fini de nombres (0 et 1 dans le cas du binaire). Par exemple, dans le domaine musical, les synthétiseurs à clavier étaient d’abord seulement analogiques. Le numérique s’est développé dans les années 1980. 5 III.3.2. Années 1940-1950 : Tubes électroniques. L’invention du tube diode (Fleming, 1904) puis de la triode (Lee De Forest, 1907) marquent les débuts de l’électronique. La conduction électrique a lieu dans le vide créé à l’intérieur d’une ampoule. Une diode (cathode-anode) ne laisse passer le courant que dans un sens. Une triode (cathode-grille-anode) permet d’amplifier ou d’interrompre le courant en agissant sur la tension de la grille. L’électronique se développe durant l’entre-deux-guerres pour différentes applications comme la radio. Les tubes électroniques permettent de « doser » le courant électrique ou de l’inverser. Ils deviennent les composants des circuits logiques des premiers ordinateurs, reliés par câbles électriques. Les ordinateurs comportent aussi des tubes à trois grilles, les pentodes. III.3.3. Transistors : l’ère des semi-conducteurs. L’électronique, basée d’abord sur la conduction électrique dans le vide, puis dans des gaz, est bouleversée au milieu du 20e siècle avec l’utilisation de matériaux semi-conducteurs : les propriétés de conductivité électrique changent en fonction du traitement qu’ils reçoivent. Cela permet de contrôler très précisément la direction et la quantité de courant qui traverse le semiconducteur. Le « transconductance resistor » (transistor), inventé en 1947, comporte trois broches: le courant peut passer de l’émetteur vers le collecteur seulement si une charge électrique est appliquée à la base (une résistance liée à la broche du milieu). A la fin des années 1950, le transistor, utilisé sur des circuits imprimés, remplace les tubes électroniques dans les processeurs centraux et les mémoires des ordinateurs. Dans un circuit imprimé, les transistors, condensateurs et autres composants électroniques sont assemblés sur la face avant d’une carte rigide. Les circuits électriques sont imprimés directement sur la face arrière. Plusieurs cartes sont enfichées pour constituer le processeur. Cela permet de réaliser des ordinateurs plus petits et plus faciles à utiliser. III.3.4. Circuit intégré La microélectronique se développe dans les années 1960: transistors et autres composants sont intégrés sur un unique bloc de matériau semi-conducteur, généralement le silicium : c’est le circuit intégré ou puce. Les puces remplacent d’abord les circuits logiques puis les mémoires. Le silicium, très abondant dans la croûte terrestre, est d’abord purifié et fondu. Un monocristal de silicium est ensuite fabriqué par tirage: un système mécanique met un « germe » de silicium en contact avec le bain liquide. La matière se soulève très lentement, avec un mouvement de rotation, et se solidifie progressivement en un cylindre irrégulier qui sera ensuite découpé en galettes pour la fabrication des puces. Les puces sont réalisées par photogravure, en plusieurs couches. La surface de silicium est oxydée et recouverte d’un vernis photosensible. Le dessin du circuit est transféré au moyen d’un masque, comme un pochoir : les surfaces accessibles sont exposées à un rayonnement. Un solvant dissout ensuite le vernis non exposé. Ces zones sont alors creusées, décapées par l’action d’un agent corrosif. On dissout le vernis qui protège l’oxyde de silicium restant et on dope celui-ci avec des ions métalliques afin de le rendre conducteur. Lorsque toutes les couches ont été gravées, une pellicule métallique (aluminium ou cuivre) recouvre les endroits de contact entre le circuit et les broches de sortie. Chaque puce de la galette de silicium est ensuite découpée au diamant. Lingot de monocristal de silicium (coll. MMIL) Masque pour la photogravure du wafer (coll. MMIL) Wafer avec puces de mémoire RAM (coll. MMIL) 18 8 III.3.5. Microprocesseur. Dès 1971, une puce comporte toutes les fonctions de l’unité centrale de l’ordinateur : c’est le microprocesseur. « Loi » de Moore : nommée d’après Gordon Moore, un des fondateurs d’Intel, il s’agit d’une estimation selon laquelle la densité d’intégration des microprocesseurs double tous les 18 mois. Cependant, les coûts de fabrication augmentent au même rythme. La photogravure se rapproche de plus en plus de ses limites physiques. Les fabricants s’intéressent aujourd’hui à d’autres matériaux comme le graphène. 19 Schéma du microprocesseur Intel 4004, 1971. Evolution des performances des microprocesseurs Intel Année 1971 1972 1974 1978 1981 1985 1989 1993 1997 2004 2006 2010 Nom 4004 8008 8080 4040 Intel 8086 Intel (80)286 Intel (80)386 Intel (80)486 Pentium Pentium II Pentium 4 Core 2 Duo Core i7 Bus 4 bits 8 bits 8 bits 16 bits 16 bits 32 bits 32 bits 64 bits 64 bits 64 bits 64 bits 64 bits Nombre de transistors 2.300 3.500 6000 29.000 134.000 275.500 1.200.000 3.100.000 7.500.000 125.000.000 291.000.000 1 170 000 000 Horloge 0,108 kHz 0,200 MHz 2 0.74 5 MHz 6 MHz 16 MHz 25 MHz 60 MHz 233 MHz 1,5 GHz 2,4 GHz 3.47 GHz MIPS Adressage 0,06 640 octets 0,06 16 k 64 k 0.64 8k + 5k 0,33 1M 0,9 16 M 6 4G 20 4G 100 4G 300 64 G 1700 64 G 22.000 64 G 147 600 Bus : nombre de bits transférés à la fois entre la mémoire et le microprocesseur Horloge : La fréquence d’une horloge interne cadence les transferts de bits dans le microprocesseur. 1Hz désigne 1 cycle par seconde ; 1 un milliard de cycles par seconde. MIPS : millions d’instructions par seconde Adressage : taille de la mémoire à laquelle le microprocesseur peut accéder III.4. Les mémoires La mémoire centrale de l’ordinateur est assistée par des mémoires secondaires, dites aussi auxiliaires ou mémoires de masse. On peut classer les mémoires en différentes familles, selon leurs caractéristiques (volatilité ou non une fois l’ordinateur éteint, possibilités de lecture/écriture, capacité….), leur support physique (magnétique, optique…) ou leur place dans la hiérarchie des mémoires (de la mémoire centrale du processeur aux supports externes d’archivage de données). En voici quelques-unes issues des collections de la MMIL : Mémoire à tores de ferrite Utilisée comme mémoire centrale dans les années 1950 et 1960 : elle permet de travailler en temps réel et de conserver les données et instructions lorsque l’ordinateur est mis hors tension. Des aimants en forme d’anneaux, les tores, sont enfilés à l’intersection de fils perpendiculaires. Le passage du courant fait basculer les tores dans un sens ou dans l’autre ; chaque position a de 0 ou de 1. Les positions ne s’effacent pas quand l’ordinateur n’est plus sous tension. 6 Bandes perforées. Cartes et rubans perforés restent longtemps un support secondaire privilégié pour les données et les programmes. Chaque emplacement à perforer correspond à un bit. Les bandes perforées sont utilisées comme support d’entrée-sortie en télécommunications notamment (réseau Télex), ou pour les logiciels des premiers ordinateurs personnels vers 1975. 20 Bandes magnétique Les bandes magnétiques, un ruban plastique enduit d’une couche d’oxyde de fer, sont très utilisées à partir des années 1960, dans différents formats. L’accès aux données se fait de façon séquentielle, les unes à la suite des autres. Chaque bande comporte plusieurs pistes parallèles (généralement 8 bits+1). Boitier de disque dur, 30 Mb, années 1970/ 3340 Disk Storage, IBM, 19731984. IBM introduit le disque dur dès 1956. Cette mémoire de masse magnétique ne se répand qu’à partir de la fin des années 1960 quand les coûts baissent. Contrairement aux bandes magnétiques, cette technologie permet d’accéder directement à une information quel que soit son emplacement. En effet, des têtes de lecture se positionnent sur chaque face des disques qui tournent à grande vitesse. Pour lire et enregistrer des données, ces têtes doivent être très proches de la surface du disque, mais sans la toucher pour ne pas l’abîmer. Dans les années 1970, des disques durs sont empilés dans des boitiers en plastique interchangeables. Disquette magnétique ou floppy disk. Ce support mémoire bon marché utilisé à partir des années 1970 décolle avec le marché des logiciels pour micro-ordinateurs au milieu des années 1980. Une décennie après, 5 milliards de disquettes sont vendues annuellement dans le monde. Il existe différents formats ( 8 pouces, 5 pouces ¼, 3pouces ½). Elles se présentent dans une pochette de protection en plastique… que l’on retrouve encore aujourd’hui avec l’icône « enregistrer ». Laserdisc Dans les années 1980, images et sons numériques bénéficient de nouveaux supports d’enregistrement, les disques optiques. Dans cette famille, le Laserdisc ou Vidéodisc ne connait qu’une diffusion limitée avant l’avènement du DVD. Le CD – ROM (compact disc – read only memory) jouit d’une grande popularité dans les années 1990. III.5. L’évolution des usages III.5..1. Un ordinateur pour l’entreprise Dans les années 1960-1970, une entreprise qui achète un ordinateur montre qu’elle adopte un style de gestion moderne. 21 Il y a alors deux grandes catégories d’ordinateurs: le gros ordinateur ou mainframe, imposante machine abritée dans un centre informatique, et les «minis», dotés d’une interface rudimentaire, qui constituent un premier pas vers l’interactivité. Dans les années 1970 apparait une deuxième génération de minis, plus puissants. Traitement par lots : La puissance de calcul de l’ordinateur central coûte cher, il faut donc maximiser son temps d’utilisation. L’ordinateur traite par «paquets» successifs les données qui convergent vers le centre informatique. Lorsqu’un travail est terminé, le résultat est imprimé et remis au commanditaire, qui n’a donc aucune interaction avec l’ordinateur. Temps partagé : Le système d’exploitation répartit la puissance de calcul de l’ordinateur central entre plusieurs terminaux où les utilisateurs interagissent avec l’ordinateur comme s’ils étaient seuls à l’utiliser. Télématique : informatique à distance. L’accès à l’ordinateur se fait via le réseau de télécommunications. Photo publicitaire pour IBM System/360. En 1964, IBM annonce le System/360, qui deviendra emblématique des mainframe. Pour la première fois, IBM réunit ses lignes d’ordinateurs scientifiques et de gestion en une série, avec des logiciels compatibles pour l’ensemble, d’où le nom : System/360. Ce système doit couvrir tout le « cercle » (360°) des domaines d’utilisation. PDP-8 Data Processor, Digital Equipment Corporation (DEC), 1965. C’est la machine au packaging compact pour laquelle est créée l’expression « mini-ordinateur ». C’est un pas vers l’interactivité et un énorme succès commercial ! L’utilisateur peut travailler directement avec l’ordinateur sans passer par un opérateur. Il interagit avec la machine grâce aux commutateurs et voyants visibles à l’avant, ou grâce à un périphérique comme le téléscripteur. III.5.2. L’informatique personnelle Les ordinateurs personnels, aussi appelés « micro-ordinateurs », sont créés dans les années 1970 par des passionnés, en marge des grands constructeurs d’équipements informatiques. Ils bénéficient pour la plupart de la mise au point des microprocesseurs. Ils sont d’abord rudimentaires. Dès la fin des années 1970, ils se dotent d’un écran et d’un clavier. Souris et fenêtrage apparaissent à partir du milieu des années 1980. L’origine de cette «interface graphique utilisateur» remonte aux travaux de Douglas Engelbart à l’Université de Stanford dans les années 1960. Désormais, l’ordinateur doit être centré sur l’utilisateur, être « convivial ». L’industrie du logiciel se développe pour proposer des applications spécifiques. Le PC dépasse bientôt le cadre du travail et atteint un marché de masse dans les années 1990. Apple II, Apple, 1979. Apple, fondé en 1976 par Steve Jobs et Steven Wozniak, mise sur l’image d’un ordinateur «amical». Lancé en 1977, l’Apple II connait un grand succès commercial. Pour la première fois, le logiciel devient aussi important que le matériel: VisiCalc (1979), tableur qui calcule en temps réel, devient la première killer application: il motive l’achat de l’Apple II. III.5.3. Réseaux Les ordinateurs ont été conçus d’abord comme des machines isolées. L’idée de les relier pour les utiliser comme moyen de communication apparait assez vite pour des applications militaires (réseau SAGE) puis civiles (Sabre, pour la réservation en temps réel de places d’avion). Différents réseaux universitaires ou communautaires se développent durant les années 1970 et 1980. ARPAnet, inauguré en 1969, pose des jalons technologiques. Il bascule en 1983 vers Internet, qui devient un réseau mondial unique. Le World Wide Web, nait en 1990 au CERN, à Genève. Ce service offert sur Internet gratuitement est basé sur l’hypertexte, càd le passage direct et automatique d’une information à une autre sur base d’un (hyper)lien. Internet est libéralisé en 1995 et entre alors complètement dans la vie économique et sociale. Les progrès de l’informatique sont aussi étroitement liés aux télécommunications : on parle alors de plus en plus de « technologies de l’information et de la communication » ou TIC. Aujourd’hui, les technologies mobiles et l’émergence de l’ »Internet des objets » accentue ce phénomène d’un monde connecté. III.6 Orientation bibliographique Les ouvrages ci-dessous sont consultables sur rendez-vous au centre de documentation MMIL. BIRIEN Jean-Yvon, Histoire de l'informatique, Presses Universitaires de France, coll. « Que sais-je ? », Paris, 1990. BRETON Philippe, Une histoire de l’informatique, coll. « Points Sciences », Seuil, Paris, 1990. CERUZZI Paul, A History of Modern Computing, The MIT Press, Cambridge (Massachussets) – Londres, 2e ed., 2003. DENOYELLE Philippe, GEYNET Maurice, JACOB Michel, PAIN Jacques, PUFAL Hans, SANHUEZA Angel, L’informatique, coll. « Des objets qui racontent l’histoire », EMCC, Lyon, 2004 d’UDEKEM-GEVERS Marie, « Approche anthropologique de l’informatique ou une histoire des technologies de l’information et de la communication», diaporama du cours INFOB113, UNamur, année académique 2013-2014. FRAUENFELDER Mark, The computer. An illustrated history, SevenOaks, Londres, 2005 LIGONNIERE R., Préhistoire et histoire des ordinateurs. Des origines du calcul aux premiers ordinateurs électroniques, Robert Laffont, Paris, 1987. LILEN Henri, Une (brève) histoire de l’électronique, Vuibert, paris, 2003. 22