Des épées laser de Star Wars au pistolet gelant de M. Freeze joué par Schwarzenegger dans le film Batman et Robin (1997), les bandes dessinées et les films ont rempli l’imagination de plusieurs générations d’armes futuristes que la science peut désormais reproduire. Une équipe d’ingénieurs a créé un laser de congélation avec du plasma qui, loin de son usage militaire, se veut la solution à l’un des talons d’Achille de l’aviation. Une innovation importante, puisque le plasma est principalement utilisé pour fournir de la chaleur.
L’intérêt du refroidissement des équipements électroniques se fait sentir chaque été lorsque la température extérieure ne facilite pas la ventilation des circuits des téléphones portables, montres ou autres appareils, qui risquent d’être endommagés par une surchauffe. D’autres systèmes sont encore plus sensibles, comme ceux qui maintiennent les avions en vol à des altitudes où le refroidissement naturel est encore plus complexe, aussi difficile que cela puisse paraître.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Virginie a trouvé dans l’utilisation du plasma une caractéristique inconnu jusqu’à présent qui permet à la mécanique de refroidir rapidement. Cette solution est présentée comme une bouée de sauvetage pour l’industrie aérospatiale et a déjà attiré l’attention de l’armée de l’air américaine.
Refroidissement des avions
Malgré l’aspect menaçant que peut avoir cette expérience, l’objectif de ses chercheurs n’est pas de créer une nouvelle arme, mais plutôt un outil industriel. La réfrigération est un procédé très demandé en mécanique et en ingénierie aérospatiale.
« De nombreux composants électroniques à bord chauffent, mais n’ont aucun moyen de refroidir », explique Patrick Hopkins, professeur de génie mécanique et aérospatial. L’idée a été très bien accueillie par l’US Air Force, au point d’accorder le laboratoire ExSiTE (Experiments and Simulations in Thermal Engineering), où travaille cette équipe, 750 000 $ sur trois ans pour étudier comment maximiser la technologie.
Avion AFJT, avion supersonique fabriqué en Espagne Airbus Omicrono
Ce nouveau laser a été créé dans le but de remplacer ou d’apporter un support supplémentaire aux processus de refroidissement actuellement utilisés par l’industrie aéronautique, qui utilise souvent un refroidissement naturel qui n’est pas toujours suffisant. La Marine, par exemple, utilise l’eau de mer pour maintenir au frais les systèmes électriques des navires militaires. Dans d’autres cas, l’air dense près de la surface suffit à garder les composants du vaisseau spatial au frais.
Ces méthodes naturelles perdent de leur efficacité lorsqu’il s’agit de refroidir la mécanique dans l’espace ou dans la haute atmosphère, où il y a moins d’air et où la charge d’eau rendrait le vol difficile. L’équipe Hopkins poursuit créer une solution légère et rapide.
Plasma de refroidissement
99 % de la matière observable dans l’univers est du plasma. En plus de se trouver dans les étoiles comme le Soleil, sur Terre, il fait partie de certaines couches de l’atmosphère et des rayons, par exemple. Il s’agit d’un état fluide, semblable à un gaz, formé de particules chargées ou d’atomes ionisés, dans lequel les électrons circulent librement.
Langue plasma sortant du Soleil Andrew McCarthy et Jason Guenzel Omicrono
Cet état de la matière est de plus en plus utilisé, par exemple dans les moteurs d’avions, en favorisant la combustion, améliorant ainsi la rapidité et l’efficacité de la technologie. Le plasma peut atteindre des températures aussi élevées que la surface du Soleil, mais ces chercheurs ont découvert avant la pandémie que cette caractéristique pouvait violer la deuxième loi de la thermodynamique. Lorsque le plasma touche une surface, il refroidit avant d’être chauffé.
Dans son expérience, Ils ont tiré un jet de plasma violet généré à partir d’hélium à travers une aiguille creuse recouverte de céramique. Le jet heurte une plaque d’or, un matériau inerte qui n’est ni gravé ni affecté par le laser.
Étudiants en doctorat utilisant le laser plasma Omicrono de l’Université de Virginie
Hopkins s’est spécialisé dans la mesure de la température à très grande vitesse. Ainsi, lorsque le faisceau plasma est allumé, la température est mesurée immédiatement à l’endroit où le laser a frappé.
Ils ont découvert que la surface se refroidit d’abord puis se réchauffe. Mesurer ces changements rapides de température est vraiment complexe : en gros, lorsque le matériau de surface est plus chaud, il réfléchit la lumière différemment que lorsqu’il est plus froid. S’ils voulaient mesurer la température avec un autre système par contact direct, le plasma détruirait instantanément le compteur.
microsecondes glaciales
« Nous ne comprenions pas pourquoi cela se produisait encore et encore et nous n’avions aucune information sur laquelle nous appuyer car aucune étude précédente n’avait été capable de mesurer le changement de température avec la précision dont nous disposons. Personne n’a été capable de le faire aussi rapidement », » il explique. L’explication à laquelle vous êtes arrivé a été vécue par chaque personne sur la planète à un moment donné. Lorsqu’une personne est mouillée, par exemple sous une douche de piscine, l’évaporation des gouttelettes d’eau sur la peau nécessite de l’énergie qui est extraite de la chaleur corporelle, d’où la sensation de fraîcheur sur la peau.
Laser plasma fabriqué à l’hélium Université de Virginie Omicrono
Il en va de même pour le plasma, le refroidissement de la surface peut être le résultat de explosion d’une couche superficielle ultra fine et difficile à voir, composé de molécules de carbone et d’eau. « Dans ce cas, le plasma élimine les espèces absorbées, de l’énergie est libérée et c’est cela qui refroidit », indiquent-ils.
Avec cette découverte, ils ont déterminé qu’ils pouvaient réduire la température de plusieurs degrés et pendant quelques microsecondes. Même si cela ne paraît pas dramatique, cela suffit à faire la différence sur certains appareils électroniques.
Illustration tirée de l’article paru dans Nature University of Virginia Omicrono
Une révélation capturée dans un article dans la revue Nature et cela donne lieu à la création de ce pistolet laser glacial qu’ils proposent d’installer sur les avions. Avec le soutien financier de l’armée de l’air américaine, le laboratoire s’associera à la société dérivée UVA de Hopkins, Laser Thermal, pour fabriquer un prototype d’appareil.
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