Les réactions de fusion du Soleil font monter sa température à des milliers de degrés, et aujourd’hui les scientifiques cherchent à recréer ces processus d’alimentation des étoiles en laboratoire comme moyen d’obtenir une énergie propre alternative.
L’une des pistes possibles est de réaliser des expériences de fusion inertielle, mais pour que cela fonctionne, le combustible de fusion doit être maintenu dans la configuration exacte. Une approche prometteuse consiste à utiliser une mousse poreuse. Le problème est que personne ne sait vraiment si ces nano-mousses fonctionnent bien, car les techniques existantes les détruisent ou n’ont pas la résolution nécessaire pour les étudier en détail.
Aujourd’hui, les chercheurs rapportent avoir développé une technique d’imagerie à rayons X qui exploite les propriétés uniques de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national d’accélérateur SLAC du ministère de l’Énergie pour résoudre la nanostructure 3D d’une mousse de cuivre avec un niveau de précision pertinent pour les expériences de fusion.
« Ce type de technique de volume 3D sur un laser à électrons libres est une mesure inédite », a déclaré Adra Carr, chercheuse scientifique au Laboratoire national de Los Alamos et auteur principal de l’étude. publié dans Lettres Nano le 1er août.
Cette technique repose sur l’imagerie ptychographique, qui génère des images en traitant les motifs de photons diffusés par un échantillon. Les chercheurs ont diffusé le laser à électrons libres à rayons X du LCLS sur des échantillons de mousse de cuivre, puis ont utilisé des algorithmes informatiques pour « reconstruire » l’échantillon d’origine. Ces algorithmes ont saisi les motifs de diffusion des photons collectés, reconstruisant finalement la mousse de cuivre avec une résolution à l’échelle nanométrique. La rotation des échantillons leur a permis de restituer leur structure en 3D.
« Cette nouvelle technique exploite la cohérence et la brillance du laser à électrons libres à rayons X », a déclaré Arianna Gleason, scientifique senior au SLAC et auteure correspondante de la nouvelle étude. « Nous avons pu interroger la mousse d’une manière que peu d’autres méthodes auraient pu réaliser. »
Les images générées ont montré que la mousse de cuivre n’est pas aussi uniforme que prévu. De nombreuses fines coques de mousse étaient déformées, fusionnées ou ouvertes, des variations qui pourraient affecter leurs performances dans les expériences de fusion par confinement inertiel. Ce type d’information pourrait être utilisé pour optimiser les méthodes de fabrication de mousse et adapter ces matériaux aux expériences de fusion.
Ce travail collaboratif s’est appuyé sur l’expertise matérielle du Lawrence Livermore National Laboratory, où les chercheurs mènent des expériences de fusion par confinement inertiel au National Ignition Facility, sur l’expertise en imagerie cohérente de Los Alamos et de l’université Brigham Young et sur les efforts de conception expérimentale avec l’expertise en science des accélérateurs du SLAC.
« Je pense que ce travail est un merveilleux exemple de la façon dont ces types d’expériences ne sont possibles qu’avec une expertise diversifiée dans de multiples domaines et dans des endroits uniques comme le SLAC », a déclaré Carr.
Les chercheurs espèrent que leur travail servira de tremplin à de futures expériences d’imagerie. Ils prévoient d’appliquer cette technique à d’autres matériaux liés à la fusion, et Gleason a déclaré qu’elle pourrait également être étendue à d’autres structures multi-matériaux à l’échelle nanométrique, voire à des échantillons fragiles. Les informations provenant de capteurs supplémentaires pourraient être intégrées pour étudier les nanostructures 3D des échantillons au fil du temps ou pour cartographier leur distribution de différentes espèces chimiques.
Plus d’informations :
Adra Carr et al, Morphologie des nano-mousses de cuivre pour les applications d’hydrodynamique des rayonnements et de fusion étudiées par ptychotomographie 3D, Lettres Nano (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02289