Plasma, ce 4e état de la matière si mystérieux et puissant

Une explication du plasma, sa composition, mais également son potentiel qui nous pourrait nous mener vers la fusion nucléaire dans un futur lointain.


Dans cette éclipse solaire totale en France en 1999, le halo épineux de la lumière est le plasma de la couronne du Soleil - Crédit : Luc Viatour/Wikimedia
Dans cette éclipse solaire totale en France en 1999, le halo épineux de la lumière est le plasma de la couronne du Soleil - Crédit : Luc Viatour/Wikimedia

Quand j’étais à l’école primaire, mon professeur m’a dit que la matière existe dans 3 états possibles : solide, liquide et gazeux. Elle a négligé de mentionner le plasma, un type spécial de gaz électrifié qui est un état en soi. Nous rencontrons rarement du plasma naturel sauf si nous avons la chance de voir les aurores boréales ou si nous regardons le soleil à travers un filtre spécial ou si nous passons notre tête par la fenêtre pendant un orage parsemé d’éclairs. Pourtant, le plasma, malgré sa rareté dans notre vie quotidienne, représente plus de 99 % de la matière observable dans l’Univers (Si nous ne tenons pas compte de la matière noire).

La physique des plasmas est un domaine riche et diversifié. Dans certains domaines de la science, la vitalité intellectuelle provient de la beauté des grandes théories et de la recherche de lois sous-jacentes profondes comme le montre le récit de la gravité en relativité générale d’Albert Einstein ou la tentative des théoriciens de remplacer le modèle standard par de minuscules brins d’énergie oscillants. L’étude des plasmas bénéficie également de constructions mathématiques remarquablement élégantes, mais contrairement à ses cousins scientifiques, elle est principalement motivée par ses applications dans le monde réel.

Comment créer du plasma ?

Mais comment fabriquez-vous un plasma ? Imaginez-vous en train de chauffer un récipient plein de glace et le regarder passer du solide, au liquide, puis au gaz. Au fur et à mesure que la température monte, les molécules d’eau deviennent plus énergiques et excitables et elles se déplacent de plus en plus librement. Si vous continuez pour atteindre les 12 000 degrés Celsius, alors les atomes eux-mêmes vont commencer à se séparer. Les électrons seront dépouillés de leurs noyaux, laissant derrière eux des particules chargées connues sous le nom d’ions qui tourbillonnent dans la soupe d’électrons qui en résulte. C’est l’état du plasma.

Le lien entre le sang et le plasma physique est plus qu’une simple coïncidence. En 1927, le chimiste américain Irving Langmuir a observé que la façon dont les plasmas transportaient des électrons, des ions, des molécules et d’autres impuretés était semblable à celle du plasma sanguin autour des cellules et des globules rouges et blancs. Langmuir était un pionnier dans l’étude des plasmas, car avec son collègue Lewi Tonks, il a également découvert que les plasmas se caractérisent par des oscillations rapides de leurs électrons dues au comportement collectif des particules.

Les ondes hydromagnétiques du plasma

Une autre propriété intéressante des plasmas est leur capacité à supporter des ondes dites hydromagnétiques, des bosses qui se déplacent à travers le plasma le long des lignes de champ magnétique, de la même façon que les vibrations se propagent le long d’une corde de guitare. Quand Hannes Alfven, scientifique suédois et futur prix Nobel, a proposé l’existence de ces ondes pour la première fois en 1942, la communauté de la physique était sceptique.1 Mais après que Alfven ait donné une conférence à l’Université de Chicago, le célèbre physicien et professeur Enrico Fermi est venu lui parler de la théorie en admettant que : Bien sûr, de telles ondes pourraient exister ! À partir de ce moment, le consensus scientifique a estimé qu’Alfven avait raison.

Le plasma, indispensable pour la fusion nucléaire

L’une des plus grandes motivations de la science contemporaine du plasma est la promesse d’une fusion thermonucléaire contrôlée où les atomes fusionnent et libèrent des sursauts d’énergie intenses, mais contrôlables. Cela fournirait une source presque illimitée d’une énergie propre, mais ce n’est pas une tâche facile. Avant que la fusion puisse se produire ici sur Terre, le plasma doit être chauffé à plus de 100 millions de degrés Celsius, environ 10 fois supérieur à la température au centre du Soleil. Et ce n’est même pas le plus compliqué. Nous avons réussi à atteindre ces températures et au-delà dans les années 1990. Le pire est que le plasma chaud est très instable et n’aime pas rester à un volume fixe ce qui signifie qu’il est difficile de le contenir et de l’exploiter.

Les tentatives visant à obtenir une fusion thermonucléaire contrôlée remontent au début des années 1950. À l’époque, les recherches étaient menées secrètement par les États-Unis, l’Union soviétique et la Grande-Bretagne. Aux États-Unis, l’Université de Princeton a été le pivot de cette recherche. Dans cette université, le physicien Lyman Spitzer a lancé le projet Matterhorn où une équipe secrète de scientifiques a tenté de contenir la fusion dans un dispositif en forme de 8 appelé Stellarator. Ils n’avaient pas d’ordinateurs et ils devaient compter uniquement sur des calculs au stylo et au crayon. Même s’ils n’ont pas résolu le problème, ils ont fini par développer le principe de l’énergie qui reste une excellente méthode pour tester la stabilité idéale d’un plasma.2

Le Tokamak et le Stellarator

Pendant ce temps, les scientifiques de l’Union soviétique développaient un dispositif différent avec le Tokamak. Cette machine, conçue par les physiciens Andrei Sakharov et Igor Tamm, utilisait un puissant champ magnétique pour corraler le plasma chaud en forme de beignet. Le Tokamak était plus performant pour maintenir la stabilité et la température du plasma et à ce jour, la plupart des programmes de recherche de fusion s’appuient sur un design de Tokamak. Ainsi, un consortium de Chine, de l’Union européenne, de l’Inde, du Japon, de la Corée, de la Russie et des États-Unis se sont associés pour construire le plus grand réacteur de Tokamak au monde qui sera lancé en 2025. Mais on a aussi un regain d’intérêt pour le Stellarator et le plus grand du monde a été ouvert en Allemagne en 2015. Le fait d’investir dans les deux chemins de la fusion nucléaire nous donne de meilleures chances pour atteindre finalement l’énergie ultime.

Le plasma est aussi intriqué avec la physique de l’espace autour de la Terre où la substance est transportée à travers le vide sur les vents générés dans la haute atmosphère du Soleil. Nous sommes chanceux que le champ magnétique de la Terre nous protège des particules de plasma chargées et des radiations nocives d’un tel vent solaire, mais nos satellites, vaisseaux spatiaux et astronautes sont tous exposés. Leur capacité à survivre dans cet environnement hostile repose sur la compréhension et l’adaptation aux bizarreries du plasma.

Le plasma pour comprendre le cosmos

Dans un nouveau domaine connu sous le nom de météorologie de l’espace, la physique des plasmas joue un rôle similaire à celui de la dynamique des fluides dans les conditions atmosphériques terrestres. J’ai consacré une grande partie de mes recherches à ce qu’on appelle la reconnexion magnétique où les lignes de champ magnétique dans le plasma peuvent se déchirer et se reconnecter ce qui conduit à une libération rapide de l’énergie.3 On pense que ce processus alimente les événements éruptifs du Soleil tels que les éruptions solaires même si la compréhension détaillée reste insaisissable. À l’avenir, nous pourrions être en mesure de prédire les tempêtes solaires de la façon dont nous pouvons prévoir le mauvais temps dans les villes.

En regardant en arrière, et non en avant, dans l’espace et dans le temps, mon espoir est que la physique des plasmas offre un aperçu de la formation des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies. Selon le modèle cosmologique standard, le plasma était omniprésent dans l’Univers primitif. Mais ensuite, l’ensemble s’est mis à se refroidir et les électrons chargés et les protons ont formé des atomes d’hydrogène électriquement neutres. Cet état a duré jusqu’à ce que les premières étoiles et les trous noirs se soient formés et qu’ils aient commencé à émettre des rayonnements à tel point que l’Univers s’est réionisé et il est revenu à un état principalement de plasma.

Enfin, les plasmas aident à expliquer certains des phénomènes les plus spectaculaires que nous avons observés dans les régions les plus reculées du cosmos. Prenez les trous noirs, des objets massifs si denses que même la lumière ne peut pas leur échapper. Ils sont pratiquement invisibles à l’observation directe. Mais les trous noirs sont typiquement entourés d’un disque de matière de plasma en rotation, qui orbite autour de l’attraction gravitationnelle du trou noir et qui émet des photons de haute énergie qui peuvent être observés dans le spectre des rayons X, révélant quelque chose sur cet environnement extrême.

Ce fut un voyage passionnant pour moi depuis le jour où je pensais que les solides, les liquides et les gaz étaient les seuls types de matière qui existaient. Les plasmas semblent encore exotiques, mais au fur et à mesure que nous apprenons à exploiter leur potentiel et à élargir notre vision du cosmos, ils deviendront aussi banals que la glace et l’eau. Et si jamais nous parvenions à une fusion nucléaire contrôlée, alors nous ne pourrons plus vivre dans le plasma dans tous les sens du terme.

Traduction d’un article sur Aeon par Luca Comisso, chercheur post-doc au Département d’astronomie à l’université de Columbia.

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Sources

1.
ALFVÉN1 H. Existence of Electromagnetic-Hydrodynamic Waves. Nature. https://www.nature.com/articles/150405d0. Published October 3, 1942. Accessed June 26, 2018.
2.
Bernstein IB, Frieman EA, Kruskal MD, Kulsrud RM. An Energy Principle for Hydromagnetic Stability Problems. P. 1958;244(1236):17-40. doi:10.1098/rspa.1958.0023
3.
Publications. Luca Comisso. https://lucacomisso.com/publications/. Published January 8, 2017. Accessed June 26, 2018.
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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