Le réacteur plasma en fibre de carbone permet une synthèse extrême sans compromis

La production de céramiques et d’alliages à point de fusion ultra élevé pour les applications de moteurs et de corps de fusée nécessite souvent des températures non seulement ultra élevées, mais également soutenues et idéalement uniformes. Un nouveau réacteur prétend pouvoir répondre à ces normes exigeantes grâce à une configuration à base de fibres de carbone qui crée des plasmas avec des températures allant jusqu’à 8 000 K sur plusieurs centimètres cubes et qui sont également stables pendant 10 minutes.

Les plasmas stables familiers aux enseignes au néon et aux téléviseurs exploitent des pressions très basses, où une tension appliquée enlève les électrons d’un gaz, qui se précipitent ensuite vers l’électrode positive. Cependant, la faible masse des électrons signifie que même à des vitesses élevées, ils n’ont pas l’impulsion nécessaire pour affecter les réactions chimiques. Comme la vitesse des ions laissés sur place change à peine, la température du gaz lui-même reste basse.

Pour générer des plasmas à haute température, des pressions plus élevées sont nécessaires afin que les collisions entre les ions les plus rapprochés augmentent leur vitesse. L’utilisation d’une pointe pointue qui concentre le champ électrique autour d’elle peut créer un filament de plasma à pression atmosphérique en fournissant une voie privilégiée aux électrons – le principe des paratonnerres. Cependant, ici, la température n’augmente que le long du filament. La différence de température entre le filament du plasma et le gaz qui l’entoure rend ces plasmas très instables.

« Ce que nous faisons ici, c’est une combinaison des deux », explique Liangbing Hu, de l’Université du Maryland. « Nous avons des pointes pour avoir une température élevée, mais elles se soutiennent mutuellement donc nous avons de la stabilité. »

L’avantage du carbone

Les chercheurs ont utilisé du feutre de fibre de carbone de chaque côté de leur cavité à plasma à pression atmosphérique. Certaines des fibres de carbone tissées dans le feutre reposent naturellement à plat tandis que d’autres se tiennent debout. Ces faisceaux de fibres courtes et verticales sont essentiels à la stabilité du plasma, fournissant efficacement un ensemble de paratonnerres de sorte que les filaments de plasma de chacun fusionnent pour donner une température uniforme et extrêmement élevée.

« Nous avons eu de la chance », raconte Ji-Cheng Zhao, également au Maryland. Monde de la chimie, soulignant l’excellente conductivité thermique des fibres de carbone, qui évacuent efficacement la chaleur. « Même si la température du plasma est de 8 000°C, nous ne brûlons pas la pointe comme un fou : nous pouvons maintenir le plasma pendant 10 minutes. »

Comme le souligne Hu, les gens savent depuis longtemps qu’une pointe est utile lors de la création d’un plasma. Les scientifiques ont également essayé de créer des structures en piliers dans l’espoir de produire l’effet que l’équipe américaine a désormais obtenu. Cependant, aucun n’a apparemment tenté l’approche du carbone, qui s’est avéré être l’ingrédient magique. Le carbone retient les électrons beaucoup moins étroitement que les métaux, de sorte que la tension d’émission est plus faible et qu’il a l’une des températures de fusion les plus élevées pour les matériaux connus – même si même le carbone doit être brûlé aux températures ultra élevées du plasma, il survit grâce à sa haute résistance thermique. conductivité. Même les longues fibres indésirables perpendiculaires à la surface du feutre jouent un rôle utile lorsqu’elles initient le plasma. «L’élément crucial est l’utilisation de ces réseaux de pointes en carbone», explique Hu. « Cela a essentiellement résolu tous les problèmes. »

Lakshminarayana Rao de l’Institut indien des sciences, qui a également étudié les moyens d’exploiter les plasmas mais n’a pas participé à ces recherches, a souligné l’utilité de ce développement. «Les plasmas thermiques ont des densités d’énergie élevées, ce qui facilite les opérations à très haute température et le traitement des matériaux, conduisant à l’invention et aux tests de nouveaux matériaux.»

Les chercheurs ont déjà utilisé cette installation pour synthétiser du carbonitrure d’hafnium – « le matériau au point de fusion le plus élevé prévu à partir des premiers principes », note Zhao et donc utile pour divers moteurs hautes performances et même des fusées. Les chercheurs ont également pu activer et désactiver le plasma, ce qui leur a permis d’exploiter le dispositif pour fabriquer un verre amorphe à partir de MgO, malgré son point de fusion très élevé de 2 850 °C.

Ils examinent maintenant si le réacteur pourrait être utilisé pour détruire ce que l’on appelle les « produits chimiques éternels » ou PFAS. Bien que le volume de leur réacteur ait été limité par l’alimentation électrique du laboratoire, les chercheurs pensent qu’avec plus de puissance, ils pourraient l’augmenter de plusieurs centimètres carrés de diamètre et de plusieurs dizaines de millimètres de profondeur.