Camilla Schoeser

La meilleure, ou la pire invention de l’humanité ?

L’utilisation des ondes électromagnétiques

dans les télécommunications

Camilla Schoeser

La communication a toujours été au cœur de l'évolution humaine, de la création du langage à l'avènement de l'imprimerie. Notre quête constante de moyens efficaces pour transmettre et stocker des informations a conduit à l'utilisation croissante des ondes électromagnétiques. Aujourd'hui, dans l'ère numérique, ces ondes jouent un rôle crucial dans la télécommunication, permettant une transmission rapide et efficace des données à travers le monde.


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Problématique

Comment l’exploitation d’un phénomène physique existant, au XIXe siècle, a bouleversé le monde actuel à grande échelle.


Illustration représentant Nikola Tesla dans son laboratoire expérimental de Colorado Springs où il effectua des expériences en 1899-1900

Quelques définitions :

Les ondes mécaniques

Les ondes mécaniques se propagent dans un milieu matériel, comme l’air, l’eau ou des matériaux solides. Elles se propagent par vibration et nécessitent un support physique pour se déplacer. Parmi les ondes mécaniques existent les ondes sonores et les vagues océaniques.


Les ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques peuvent voyager dans le vide, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ces ondes sont générées par des charges électriques en mouvement et sont constituées d’oscillations couplées d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Ces ondes peuvent transporter à la fois de l’énergie et de l’information. On peut citer la lumière visible, les rayons X, les rayons UV, les micro-ondes et les ondes radio.

Toutes ces ondes peuvent être polarisées, diffusées, réfléchies comme la lumière visible


Le son est une onde longitudinale, la lumière est une onde transverse (voir schéma ci-dessous)


Découverte des ondes électromagnétiques


Augustin Fresnel

1788-1827

  • Il a poursuit les travaux de Huygens
  • Il a introduit des concepts clés tels que les interférences et la longueur d’onde
  • Ses contributions ont renforcé la théorie ondulatoire
  • Ses recherches en optique ont conduit à l'acceptation définitive de la théorie ondulatoire de la lumière

Christian Huygens

1629–1695

  • Il s’est penché sur les lois de la réflexion et de la réfraction
  • Il a proposé que la lumière soit une onde
  • Cette théorie s’opposait à la vision corpusculaire défendue par Isaac Newton à l’époque
  • Newton décrivait la lumière comme un ensemble de particules

James Clerk Maxwell

1831-1879

  • Il a formulé les équations de l’électromagnétisme
  • Ces équations prédisaient l’existence d’ondes électromagnétiques et leur vitesse
  • Elles ont ouvert la voie à l’idée que la lumière elle-même pourrait être une onde électromagnétique

une vision anticipée

Tesla : “« N’importe qui, sur terre ou en mer, avec un appareil simple et bon marché tenant dans la poche, pourra recevoir des nouvelles du monde entier ou des messages uniquement destinés à l’utilisateur. »

Heinrich Hertz


Nikola Tesla


Guglielmo

Marconi

Alexandre Popov

Hedy Lamarr

zoom sur les ondes radio

Popov (1859-1905), précurseur de la radio, met au point un récepteur d’ondes électromagnétiques. Il parvient à émettre des ondes à des distances avoisinant les 2 km. Cependant, d’autres inventeurs dans le monde mettaient au point des dispositifs permettant d’obtenir des résultats comparables.


À la fin du XIXe siècle, des physiciens tels qu’Alexandre Popov, Heinrich Hertz, Édouard Branly et Nikola Tesla ont expérimentalement découvert les ondes radio (ondes radioélectriques, dont la fréquence est inférieure à 300GHz).


Hertz (1857-1894), en particulier, a généré et détecté des ondes radio en laboratoire, confirmant ainsi les prédictions de Maxwell.


Guglielmo Marconi (1874-1937), est considéré comme l’un des inventeurs de la radio et de la télégraphie sans fil (TSF). Il parvient à transmettre des ondes à presque 20km de distance. Cependant, un de ses brevets sur la radio a été invalidé, car son invention est similaire à des travaux ou brevets de Tesla, Lodge et Stone

Tesla (1856-1943), quant à lui, a imaginé une transmission d’énergie sans fil. En novembre 1890, il a illuminé un tube à vide sans fil, transmettant de l’énergie à travers l’air. Cette découverte a ouvert la voie à la possibilité de transmettre de l’électricité sur de longues distances sans l’utilisation de câbles.

Tesla a également déposé plusieurs brevets concernant des transmetteurs et récepteurs sans fil. Il a construit un submersible contrôlé à distance, grâce à des ondes radio, qui malheureusement n’attira pas l’attention de la marine militaire. Par ailleurs, Tesla publie des recherches théoriques qui anticipent le principe du radar.


Hedy Lamarr (1914-2000), actrice et inventrice autrichienne, a co-inventé avec George Antheil en 1941 un principe de transmission de signaux, appelé l’étalement de spectre par saut de fréquence, qui sera précurseur dans l’invention du Wifi.


Comment générer des ondes électromagnétiques ?

Dans la technologie des radiofréquences et des micro-ondes, l'émission d'une onde électromagnétique est obtenue en faisant circuler un courant électrique variable dans un conducteur. La réception d’une onde se fait en détectant le courant électrique induit par le champ électromagnétique de l'onde dans un conducteur. Ce processus permet de récupérer l’information transportée par l’onde, qu’il s’agisse de signaux radio, de données Wi-Fi ou d’autres types de communication sans fil. Une fois l’onde réceptionnée, elle peut être transmise via des câbles, des fibres optiques ou des satellites vers leur destination.


Il existe différents moyens de transmettre l’information à l’aide d’une onde :

La modulation d’amplitude (AM) : l’amplitude de l’onde porteuse est modifiée proportionnellement au signal d’information. Cette technique, bien qu’ancienne, est toujours utilisée, notamment pour les transmissions radio en ondes moyennes. L'atténuation de l'AM avec la distance est relativement linéaire, ce qui fait que le signal audio reste compréhensible même à des centaines ou milliers de kilomètres

La modulation de fréquence (FM) : la fréquence de l’onde porteuse est modifiée en fonction du signal d’information. La FM est notamment utilisée pour la radio FM et certains systèmes de communication sans fil. La FM a un son de qualité HiFi, au prix d'une distance maximale de transmission beaucoup plus faible car l'atténuation n’est pas linéaire mais beaucoup plus complexe


Aujourd’hui, le codage de l’information utilise des techniques de modulation numérique. Une information écrite en binaire est convertie en onde, puis après transmission et réception, l’onde est retranscrite en signal binaire, puis décodée.

Où sont utilisées les ondes électromagnétiques de nos jours ?

Communication :

les ondes radio et les micro-ondes sont utilisées pour transmettre des informations dans les systèmes de communication sans fil. Les appareils ayant recours à ces ondes sont notamment la télévision, la radio (AM et FM), la communication par satellite, les téléphones mobiles, les talkies-walkies.

Le wifi, le bluetooth et la 3G, 4G, 5G utilisent les ondes radio. Le wifi présente des fréquences autours de 2,4 GHz, 5GHz et 6GHz. Le bluetooth utilise également des ondes de fréquence 2,4GHz, mais sur des portées beaucoup plus courtes. Les données mobiles des téléphones portables utilisent des bandes de fréquence comprises entre 450 et 3500 MHz.


Imagerie médicale :

les rayons X sont utilisés pour la visualisation non invasives de structures internes dans le corps humain.


Télédétection :

les satellites d’observation de la Terre utilisent diverses bandes d’ondes électromagnétiques : micro-ondes, infrarouge et lumière visible, afin de surveiller les conditions terrestres, océaniques et atmosphériques.


Chauffage et cuisson :

les chauffages infrarouges utilisent des rayonnements infrarouges, comme la chaleur du feu derrière une vitre.

A contrario, le chauffage d'un micro-ondes consiste en une micro-onde générée par un magnétron à une fréquence bien précise qui excite les molécules d'eau uniquement, ce n'est donc pas du tout la même technologie.

Thérapie :

les rayons UV et gamma sont utilisés dans des thérapies médicales, par exemples pour le traitement du cancer.

Navigation :

les radars et les GPS utilisent des ondes radio et des micro-ondes.

Eclairage :

la lumière visible est exploitée pour diverses technologies d’éclairage.

Les lasers utilisent la lumière visible, mais à une fréquence bien précise : ils sont monochromatiques

Spectroscopie :

différentes zones du spectre électromagnétique sont utilisées pour étudier les propriétés et la composition de matériaux et de substances, comme la spectroscopie infrarouge, ou la cristallographie aux rayons X.

Impact des technologies utilisant les ondes électromagnétiques

Marché économique des télécommunications

En France, les télécommunications ont investi 107 milliards d’euros en 10 ans, c’est sans compter 10 milliards d’euros dans l’acquisition de bandes de fréquences.

Ces dernières années, elles ont investi 12,2 milliards d’euros par an, ce qui équivaut à la construction de 150 hôpitaux, ou à la rénovation énergétique de 17 000 immeubles. A côté, le secteur du transport et de distribution d’électricité en a consommé seulement la moitié (6,1 milliards d’euros).


Le secteur des télécoms mobilise 400 000 emplois directs et indirects en France, et en génère indirectement 2,5 millions. En effet, un emploi au sein d’un opérateur génère 2,5 autres emplois chez d’autres acteurs. Ce secteur génère donc un nombre exponentiel d’emplois. De plus, le chiffre d’affaires généré par emploi dans les télécoms est 2,2 fois supérieur à la moyenne du secteur des services marchands.


Hand Drawn Arrow

Le chiffre d’affaires des opérateurs français dans les télécommunications croît moins vite que le PIB depuis 2012, alors que leurs investissements sont en hausse croissante.

Plus généralement, les revenus des opérateurs européens progressent peu en comparaison des opérateurs télécoms asiatiques et américains

Au final, l’écosystème numérique (Internet, les logiciels, les opérateurs tels Orange, Free…) engendre plus de 4000 milliards d’euros dans le monde par an, et est en pleine croissance.

Impact énergétique et environnemental

Nous sommes généralement peu conscients de l'impact énergétique des télécommunications, car nous avons du mal à évaluer la consommation effective de nos appareils électroniques. De surcroît, nous ne sommes pas toujours au fait des infrastructures nécessaires à leur fonctionnement et à leur communication. Pourtant, les télécommunications représentent un impact non négligeable.

Consommation d’une box

Consommation électrique

Zoomons sur le secteur d’Internet, et plus précisément les fournisseurs d’accès à Internet. En 2022 en France, les box des 4 principaux fournisseurs d’accès à internet (Orange, SFR, Bouygues Télécom et Free) ont consommé 3,3 TWh, soit 0,7% de la consommation électrique totale en France. Une box consomme 9,9W, sachant que seulement 5% de cette consommation sert à acheminer le trafic internet et à connecter les équipements. Le reste de la consommation électrique est en grande partie destinée à alimenter la box. Une box consomme 85 kWh pour une année, cela correspond à la moitié de la consommation d’un réfrigérateur. Cette consommation peut sembler élevée, surtout si le Wifi n’est pas utilisé lorsque les membres du foyer sont à l’extérieur pour le travail, les études par exemple.

Du côté des réseaux fixes et mobiles, leur consommation est de 4,1 TWh en 2022. Cette consommation augmente en raison de l’augmentation du nombre d’antennes et du trafic de données mobiles.

Les réseaux fixes sont plus sobres, grâce à la généralisation de la fibre optique, qui est plus efficace que l’ADSL.

Concernant l’hébergement des données disponibles sur Internet, le refroidissement d’un Data Center nécessite parfois jusqu’à 100 MW. Cette énergie permettrait d’alimenter par exemple 80 000 ménages aux Etats-Unis. La consommation énergétique des Datacenter a augmenté entre 2010 et 2018, en passant de 54 à 77 TWh/an. Les Data Center représentent environ 4% de la consommation énergétique dans le monde.

Les intelligences artificielles et les modèles de langage ont également une grande part dans la consommation d’énergie : selon Alex de Vries, doctorant à l’Université d’Amsterdam, « une seule interaction LLM (Large langage model) peut consommer autant d'énergie que de laisser une ampoule LED à faible luminosité allumée pendant une heure ». Le cout énergétique semble ahurissant lorsque l’on considère que des millions de requêtes sont effectuées chaque jour sur les nombreux modèles de langage existants.


Gaz à effet de serre

Alors que l’émission de gaz à effet de serre a baissé en France, celle des 4 grands opérateurs français a augmenté. Cette augmentation est due à la création de nouveaux centres. En 2021, les télécommunications ont émis plus de 300 000 tonnes équivalent CO2.

Par ailleurs, la consommation d’électricité des Data Center entraîne également une hausse de l’émission de CO2. Cependant, ce taux d’émission de CO2 n’est pas plus élevé par rapports à certains secteurs, comme par exemple l’aviation.


Environnement

Les Datacenter utilisent massivement des énergies fossiles.

Cependant, 45% de l’électricité utilisée en France pour le secteur des télécoms est renouvelable, et ce taux est en hausse.

Toujours en France, le nombre de portables reconditionnés vendus est passé de 150 000 en 2020 à 330 000 en 2021, ce qui permet de réduire entre autres l’extraction de minerais.

Les prélèvements d’eaux des centres des fournisseurs d’accès à Internet ont augmenté de 20% en 1 an. L’eau est une denrée importante, elle sert notamment à refroidir les Datacenter.

La télécommunication occupe le paysage : 9 000 m² de surface est utilisée pour les datacenter, soit + de 2 acres. Plus de 35000 antennes de transmission sont posées en France

L'utilisation de serveurs virtuels permet de minimiser les dépenses énergétiques dans les Datacenter par exemple. Un serveur virtuel se situe sur un serveur physique, qui peut accueillir plusieurs serveurs virtualisés. Un serveur virtuel va pouvoir utiliser une partie de la puissance de calcul, du processeur, de la mémoire vive et de la mémoire de stockage du serveur physique. Le fait d’héberger plusieurs serveurs virtuels sur un serveur physique permet ainsi de faire des économies d’énergie.

Enfin, l’utilisation d’appareils électroniques engendre un nombre considérable de déchets, pas forcément recyclables à cause des composants utilisés. La durée de vie courte des appareils électroniques (due à l’obsolescence programmée, et la nécessité d’avoir un appareil supportant les dernières mises à jour) est préoccupante sur cet aspect.

Part du contexte social, politique, culturel, etc.

La radio a permis de diffuser toutes sortes d’informations, du domaine politique au domaine culturel. Notamment, la radio a été un outil de propagande durant la Seconde Guerre Mondiale.

Aujourd’hui, la radio et la télévision servent également comme moyen pour diffuser les idées politiques, et Internet s’est ajouté comme support, permettant l’accès à des sites officiels, mais également la possibilité pour les personnalités politiques de s’exprimer sur les réseaux sociaux.

La culture, notamment musicale, a pu se diffuser par le biais de la radio et de la télévision, puis de nos jours via les réseaux sociaux, où n’importe qui peut exprimer son art. Les émissions télévisées avaient pour but à l’origine de cultiver les populations.


L’utilisation d’Internet est devenue presque systématique, quand on sait que 47,4 millions de Français ont utilisé Internet chaque jour en 2023. Les moyens de communication ont une place importante : 236 milliards de minutes passées au téléphone en France en 2022. Plus de 99% de la population âgée de 15 ans ou plus possède un téléphone fixe ou mobile, 95% possède un téléphone mobile et 77% possède un smartphone.

En 2019, 1 personne sur 3 n’a pas de compétences numériques de base. Ce manque de compétences numériques est appelé illectronisme, 1 sur 4 ne sait pas s’informer sur internet et 1 sur 5 ne sait pas communiquer via internet. Naviguer et communiquer sur internet est devenu incontournable, surtout dans des contextes professionnels.

Comme 7% de la population française ne possède ni smartphone ni connexion internet à domicile, ces personnes peuvent être vues comme « coupées du monde » car n’étant pas directement connectées au réseau mondial.


L’exposition à des niveaux élevés d’ondes électromagnétiques de fréquence radio peut provoquer un échauffement des tissus biologiques, dont les conséquences ne sont pas encore bien connues. Néanmoins, un lien est observé entre une exposition aux ondes émises par un téléphone mobile et l’activité électrique cérébrale.

Le CIRC (Centre international de recherche sur le cancer) a classé les radiofréquences comme « cancérogène possible », car il y aurait un lien de cause à effet entre onde électromagnétique et cancer du cerveau, mais sans que l’on puisse éliminer le hasard comme cause de ce lien.

Même si aucune preuve n’existe, des effets biologiques des ondes électromagnétiques à fréquences radio existent au niveau du sommeil, de la fertilité et des facultés cognitives.


Dimension sanitaire

évaluation de son impact et de son importance d'un point de vue global, en incluant la dimension éthique

La vie privée est mise en jeu avec l’apport des télécommunications.

L’utilisation de la radio ne compromet pas l’anonymat, car la radio émet des ondes dans toutes les directions, et les utilisateurs captent le signal envoyé. Les émetteurs ne peuvent pas récupérer des informations sur quels appareils écoutent la radio (sauf s’il s’agit d’une radio en ligne).

En revanche, Internet n’émet pas dans toutes les directions, mais aux utilisateurs qui réalisent une requête précise. En réalisant la requête, les fournisseurs d’accès à internet sont en mesure de savoir qui exécute la requête.

Les informations saisies par les utilisateurs sur Internet, ou même leur comportement, sont stockés, avec le consentement (forcé) de l’utilisateur, qui ne lira peut être pas toutes les mentions légales.

Sur une liseuse, simple appareil électronique servant à afficher des livres, des informations tels que la fréquence de tourne de page ou les recherches par mot clés effectuées sont stockées. Quelle peut être alors la quantité d’informations stockées par nos téléphones, en plus des données saisies sur Internet ? Google a toujours accès à notre localisation approximative, même lorsque nous désactivons la géolocalisation. Simplement en envoyant un SMS, notre position approximative peut être retrouvée, grâce aux antennes relais utilisées par notre téléphone pour transmettre notre message. Par ailleurs, partager sa localisation est devenue presque normale avec l’utilisation de certains réseaux sociaux comme Snapchat, qui affiche l’emplacement de tous nos contacts.

Dans la dimension éthique, l’exploitation de minerais et de métaux rares pour la fabrication de composants électroniques engendre des conflits dans des pays porteurs de ressources minières. Des pays, souvent en voie de développement, sont convoités pour leurs métaux, et les terres sont exploitées, ainsi que des populations locales pour extraire les minerais. En plus de poser un problème environnemental, cette exploitation devient clairement un conflit au niveau éthique.

De ce fait, il peut être intéressant d’imaginer différents substituts aux réseaux de télécommunication, dans un souci éthique, de santé, de vie privée, ou simplement pour trouver une solution quand l’ensemble des plages de longueur d’ondes seront exploitées pour transmettre des informations.

Des éventuels substituts

Des substituts à la communication peuvent être des techniques plus anciennes, comme le télégraphe ou la transmission d’informations filaires. Mais des techniques plus récentes peuvent se substituer au Wifi. La Li-fi (Light fidelity), utilise non pas les fréquences radio mais la lumière visible. Les données sont codées sous formes de modulation d’amplitude de sources de lumière, les émetteurs vont donc émettre des scintillements, mais invisibles à l’œil car la fréquence sera trop élevée pour être perçue. Cette technologie évite ainsi les problèmes sanitaires liés aux fréquences radio, mais garantit également une sécurisation des données, la lumière visible ne pouvant traverser les murs et évitant ainsi le piratage des données à distance.

Dès les années 1880, Alexander Graham Bell avait mis au point un dispositif appelé "photophone", capable de transmettre des messages sans fil en utilisant la lumière du Soleil. Depuis le début du XXIe siècle, avec l'avancement des LED dotées de capacités de commutation très rapides (pouvant aller jusqu'à un milliard de fois par seconde), les recherches sur le Li-Fi ont pu considérablement progresser.

Lucibel, une entreprise française produisant des luminaires et systèmes d'éclairage à base de LED, a mis au point un prototype qui est aujourd’hui testé dans des bureaux parisiens.

On pourrait également se pencher sur l’utilisation des ondes sonores à haute fréquence (ultrasons) pour transmettre des informations. Un dispositif de ce type aurait par contre besoin d’un support matériel pour permettre à l’information de se propager, comme l’air ou l’eau.

Le stockage des données sur le papier est une solution certes volumineuse et moins pratique en terme d’accès, mais plus fiable dans le sens que une faille dans le système d’Internet peut détruire des quantités importantes de données, alors que la destruction de papier (eau, feu) ne peut se faire qu’à une échelle bien plus limitée. De plus, fabriquer du papier demande moins de ressources que construire un ordinateur, envoyer des mails, stocker les informations...

Enfin, pour préserver les données sur Internet lorsque nous naviguons, l’utilisation de VPN est possible, mais risquée car le VPN peut avoir accès à notre adresse IP, et une faille dans le serveur du VPN peut compromettre des données de milliers d’utilisateurs.

Une autre solution gratuite permet de naviguer de façon privée : il s’agit du navigateur Tor. Son fonctionnement repose sur l’utilisation de non pas 1 relais qui crypte les données, mais 3, et ceux-ci sont choisis aléatoirement. De plus, les relais sont hébergés partout dans le monde et pas au niveau d’un seul serveur. Tor est ainsi utilisé par des utilisateurs lambda souhaitant garder leurs activités privées en ligne, mais également par des pirates… Mais ceci est une autre histoire.

Bibliographie