La Z-Machine : de la glace plus chaude que de l'eau bouillante !

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La Z-Machine : de la glace plus chaude que de l'eau bouillante !

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences, le 22/03/2007 à 09h18

Les chercheurs du laboratoire de Sandia avaient déjà stupéfié la planète, se surprenant eux-mêmes, en atteignant les deux milliards de degrés avec la Z machine. Après avoir largement dépassé la température régnant au coeur du Soleil, les voilà qui font geler de l’eau à des températures supérieures à son point d’ébullition !

La Z machine

Beaucoup de gens l’ignorent mais il existe plusieurs formes de glace, comme le physicien Percy Bridgman l’a démontré au début du siècle dernier par ses expériences sur les hautes pressions. L’eau est décidemment un liquide bien étrange. Si on la gèle à basse pression elle augmente de volume, mais à des pressions plus élevées, celui-ci diminue. Les molécules d’eau peuvent alors s’agencer pour former différents réseaux cristallins, que l’on a baptisé glace II, III etc… C'est ce qu'on peut voir sur le diagramme de phase ci-dessous.

Diagramme de phase de l'eau - Martin Chaplin
Au laboratoire Sandia, Daniel Dolan a soumis un échantillon d’aluminium à un fort courant électrique, d'environ 20 millions d’ampères. Un champ magnétique intense à l’intérieur de la Z-machine en a donc résulté, ce qui a fortement comprimé l’échantillon d’aluminium constitué de plaques, entre lesquelles se trouvait une mince couche d’eau.

En moins d’une centaine de nanosecondes, la pression a dépassé 70 000 atmosphères et l’eau a alors gelé pour former de la glace VII tout en restant plus chaude que de l’eau bouillante !

De telles études sont importantes car l'on s’est rendu compte que les prévisions faites à partir des diagrammes de phase de certaines substances, dont l’eau, n’étaient pas toujours correctes. Pour des ingénieurs, cela peut se révéler catastrophique. De fait, lors des expériences précédentes avec la Z-machine, l’eau utilisée pour refroidir le système se contractait déjà abruptement, il devenait donc urgent de mieux comprendre son comportement dans ces conditions.

Plus généralement, les applications scientifiques ne manquent pas, ainsi les modèles des planétologues pour l’intérieur glacé de Neptune doivent maintenant être révisés !

[Tizinissa]

C' est etonnant en effet ! merci Far ! je savais pas l' exisatance de cette machine et c'est vraiment impressionant ! J' ai jamais pensé qu' il nous etait possible d' atteindre la temperature du soleil par des appareils !

Sinon la production des glaces m' interesse et je suis baf a voir de la glace a cette temperature ! je me demande ce qu' on pourait en faire ? ou coment l' utiliser ?

[absent]

je me demande ce qu' on pourait en faire ? ou coment l' utiliser ?

Franchement je sais pas, mais il y aura certainment des applications dans les millieux à haute pression. il en parle à la fin de l'article concernant le sous sol des planètes ou lunes.

[Tizinissa]

Oui le but de l'experience, a mon avis, pour ces chercheurs est justement de pouvoir expliquer des phnomenes naturelles sur d' autres planete qui sont soumis a d' autres conditions exterieurs comme dans ce cas peut etre la formation de glace dans le pole de Mars !

Je me suis jsute demander ce qui serait possible de faire de cette decouverte sur terre ! sachant l' importance de la glace soit pour la clim ou bien sous cette pression et a petit volumespecifique il pourait bien servir a stocker l' eau ou mieux encore a le transporter d' uen region a l' autre dans les regions arides par exemple comme au Sahara chez nous ???!

Peut etre que son transport dans ces conditions ne necessiterait meme pas les camions refrigirateur ??

[absent]

Peut etre que son transport dans ces conditions ne necessiterait meme pas les camions refrigirateur ??

je ne pense pas que ce soit rentable tizi, il faut une pression de 70 000 bar quand même, c'est gigantesque.

[DZmes Bond]

Moi non plus, ne connaissais pas cette Z-Machine... Je suis aussi curieux de voir les applications possibles.

[absent]

Concernant la Z machine elle même, la première application à laquelle ont pourrai penser bien évidement est la fusion nucléaire. Mais ce n'est pas gagné, maintenir cette température pour une longue durée au lieux des quelques nano secondes relève tout bonnement du rêve

[absent]

Un peu d'info

Z machine
Wikipédia

La Z machine dans les Laboratoires Sandia d'Albuquerque. En raison des tensions et des intensités extrêmement élevées utilisées, l'impulsion électrique créée lors de chaque expérience provoque des arcs électriques impressionnants, visibles autour des nombreux objets métalliques de la salle. Photo : Sandia National Laboratories, publiée avec leur aimable autorisation.

La Z machine est le plus puissant générateur de rayons X au monde. Elle est implantée dans les locaux du site principal des Laboratoires Sandia à Albuquerque au Nouveau-Mexique. Conçue pour contrôler des matériaux soumis à des conditions extrêmes de température et de pression, elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données nécessaires à la simulation informatique des armes nucléaires.
Elle a également permis, grâce à des expérimentations récentes, d'ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l'énergie de fusion.

Principe de fonctionnement

Le dispositif expérimental est constitué d'une cage cylindrique (ou hohlraum) contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie plusieurs centaines de fils plus fins qu'un cheveu (à l'origine en tungstène), l'intérieur pouvant en outre contenir une « mousse » spécialement adaptée à cet usage. De nombreuses variantes de la configuration et de la composition des fils ont été expérimentées, dans le but d'améliorer les résultats obtenus.
Le processus comporte plusieurs phases successives qui s'enchaînent en quelques nanosecondes. De façon simplifiée, on peut le décrire ainsi :

• Un courant électrique extrêmement intense (20 millions d'ampères) est envoyé à travers les fils, ce qui provoque la vaporisation progressive de chacun d'eux, donnant ainsi naissance à une coquille de plasma s'appuyant sur la partie résiduelle des fils;
• Le courant électrique, qui continue à augmenter, passe dès lors dans la coquille conductrice; le champ magnétique associé la soumet à des forces de Laplace qui entraînent par pincement sa contraction violente;
• Lors de la constriction du plasma, les ions et les électrons sont projetés vers l'axe de la cavité, jusqu'à un « point d'arrêt » qu'ils ne peuvent pas dépasser; leur énergie cinétique est alors transformée en énergie électromagnétique (rayonnement de freinage des électrons), sous la forme d'un « flash » de rayons X; ce dernier, par un phénomène d'onde de choc, comprime violemment la cible.

L'impulsion électrique est produite par un ensemble de 36 générateurs de Marx qui puisent leur énergie dans des cuves remplies d'eau jouant le rôle de condensateurs.

Historique des expériences

• Les premières expériences avec la Z machine ont été menées en 1996; elles ont produit un rayonnement X d'une puissance supérieure à 200 térawatts (200x1012 watts).
• L’utilisation de deux réseaux concentriques de fils au lieu d'un seul a porté en 1997 la puissance rayonnée à 290 térawatts, correspondant à une température de 1,8 million de degrés.
• La première expérience réussie de fusion de deutérium dans la Z machine a été annoncée en avril 2003 ; la température atteinte était de l'ordre de 11,6 millions de degrés, le diamètre de la capsule de combustible ayant été réduit de 2 mm à 0,16 mm (160 micromètres) en 7 nanosecondes (7x10–9 s).
• Le 8 mars 2006, Sandia annonce dans un communiqué officiel[1] avoir obtenu accidentellement un plasma d'une température supérieure à 2 milliards de degrés au sein de la Z-Machine. Le responsable de projet Chris Deeney a ajouté avoir reproduit plusieurs fois l'expérience afin d'en valider le résultat.
• Le 2 novembre 2006, Sandia annonce dans un communiqué officiel[2] les avancées réalisées sur les capsules de diamant qui permettront à terme de contenir le carburant nucléaire.

Nouvelles perspectives

Dans des expériences récentes (2004-2005) dont les résultats ont été rendus publics par Sandia en mars 2006, l'augmentation du diamètre du réseau de fils et le remplacement des fils de tungstène par des fils d'acier ont permis de mesurer dans les plasmas produits des températures ioniques de 2 à 3 milliards de degrés. Aucun dispositif de conception humaine n'avait permis jusqu'à présent d'atteindre, de façon avérée, de telles températures, bien plus élevées que celles du cœur des étoiles de taille moyenne (de l'ordre de 107 à 108 degrés). Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes d'hydrogène, deutérium ou tritium, et permettraient, en théorie sinon en pratique, la fusion d'atomes d'hydrogène avec des atomes plus lourds comme le lithium ou le bore; ces deux réactions présentent l'avantage d'être réellement propres, dans la mesure où elles ne produisent ni neutrons ni déchets radioactifs, ce qui n'est pas le cas des réactions basées sur le deutérium et le tritium.
Pour la première fois, la puissance rayonnée a dépassé (d'un facteur 3 à 4) l'estimation de l'énergie cinétique développée lors de la compression du plasma. L'origine de ce surcroît d'énergie reste encore incertaine, car seules de rares tentatives d'explication ont été publiées[3] [4]. La première en date est celle de Malcolm Haines, professeur et chercheur en physique des plasmas à l'Imperial College de Londres; elle met en avant l'apparition possible, lors de la phase finale de la constriction, d'une myriade de micro-instabilités MHD dont l'énergie cinétique serait transférée aux ions, augmentant ainsi la température du plasma, puis aux électrons, qui la libéreraient en émettant des rayons X.
Depuis juillet 2006, et jusqu'au premier trimestre de 2007, la Z machine est remplacée par la Z-R machine qui permettra d'améliorer les performances.

Autres sites développant des expériences similaires

Des installations similaires à la Z-machine existent dans d'autres pays :

• en Chine, le générateur QIANGGUANG-I du NINT (Northwest Institute of Nuclear Technology), proche de Xi'an (Shaanxi) [5];
• en France, le générateur SPHINX (anciennement SYRINX) du Centre d'essais de Gramat (Lot) [6];
• en Grande-Bretagne, le générateur MAGPIE de l'Imperial College de Londres[7];
• en Russie, le générateur GIT-12 de l'Institut d'électronique des courants forts à Tomsk[8].

[absent]

une info antrerieur

La Z-Machine dépasse les deux milliards de degrés !

Par Christophe Olry, Futura-Sciences, le 09/03/2006 à 14h28

La Z-Machine, le plus puissant générateur de rayons X au monde, installé dans le désert du Nouveau-Mexique, est parvenue à créer des plasmas dont la température dépasse les 2 milliards de Kelvins. Ce résultat, aussi incroyable qu’inattendu, soulève de nombreuses interrogations.


D’ordinaire, la Z-Machine fonctionne de la manière suivante : 20 millions d’ampères passent à travers un réseau de fils de tungstène de la largeur d’un cheveu. Dans un noyau, de la taille d’une pelote de laine, les fils se dissolvent instantanément pour engendrer du plasma, qui est ensuite compressé à grande vitesse par un champ magnétique intense, jusqu’à occuper l’épaisseur d’une mine de crayon. Une fois compressés, les ions et les électrons n’ont nulle part où aller (« point de stagnation ») et, comme un bolide lancé à pleine vitesse contre un mur, ils s’arrêtent brusquement en dissipant une quantité considérable d’énergie sous forme de rayons X. Ainsi, la Z Machine avait été conçue pour générer des températures de plusieurs millions de degrés, proches de celles des éruptions solaires.

Mais les scientifiques n’auraient jamais pensé qu’en remplaçant les fils de tungstène par des fils d’acier cylindriques plus larges, ils pourraient atteindre des températures dépassant le milliard de degrés : « Au début, nous ne voulions pas y croire. Nous avons répété maintes fois la manipulation, pour être bien sûrs qu’il ne s’agissait pas d’une erreur », explique le chef de projet Chris Deeney.

Mais alors, que s’est-il vraiment passé dans le laboratoire Sandia ? Dans un article, paru ce mois-ci dans le Physical Review Letters, Malcolm Haines, consultant pour le compte de Sandia, émet l’hypothèse que cette température surprenante est due à l’apparition de nombreuses instabilités au « point de stagnation », qui engendreraient la conversion d’une considérable quantité d’énergie magnétique en énergie thermique, et ce en l’espace de quelques nanosecondes.

Des recherches sont actuellement en cours pour en apprendre plus sur ce phénomène. En tout cas, d’après Malcolm Haines, l’obtention de telles températures pourrait s'avérer très utile : cela faciliterait l'étude des éruptions solaires, et pourrait aussi permettre la construction de centrales nucléaires plus compactes et moins coûteuses.

[DZmes Bond]

Un nouveau système de chauffage pour maisons, piscines, etc... pour rester simple.

[Tizinissa]

chauffage pour maison ? plutot pour toute la planete et la lune aussi !! ce machin depasse la temperature du soleil !!