Le 7 décembre 1995, une sonde de la NASA a pénétré dans l’atmosphère de Jupiter. Alors que la sonde, Jupiter Atmospheric Probe, filait à travers les nuages à plus de 100 000 km/h, la friction a chauffé l’air autour de l’engin à plus de 28 000 degrés Fahrenheit. Cela a divisé les atomes en particules chargées et a créé une soupe électrique appelée plasma. Le plasma explique les phénomènes naturels tels que les éclairs ou les aurores boréales ; le soleil est une gigantesque boule de plasma en combustion.

Le plasma s’est frayé un chemin à travers le bouclier thermique de la sonde Jupiter bien plus rapidement que ce que quiconque à la NASA avait prévu. Lorsque les ingénieurs de l’agence ont analysé les données fournies par les capteurs du bouclier thermique, ils ont réalisé que leurs modèles prudents étaient erronés. Le bouclier s’est beaucoup plus désintégré que prévu dans certaines zones, et beaucoup moins dans d’autres. La sonde a à peine survécu, et la seule raison est qu’ils avaient intégré une marge d’erreur dans la conception, en la rendant très épaisse. « Cela restait une question ouverte », a déclaré à Wired Eva Kostadinova, experte en plasma à l’université d’Auburn. « Mais si vous voulez concevoir de nouvelles missions, vous devez être capable de modéliser ce qui se passe. »

Attaché à un vaisseau spatial d’un milliard de dollars

Il est très difficile de simuler avec précision les conditions d’une entrée à grande vitesse d’un vaisseau spatial dans une atmosphère compacte, et il est donc difficile de tester la précision des modèles conçus pour de telles missions spatiales.

Cela constitue également un obstacle aux nouveaux matériaux de bouclier thermique qui pourraient être plus légers ou meilleurs que les boucliers thermiques à base de carbone utilisés aujourd’hui. Si vous ne pouvez pas les tester, il est très difficile d’être sûr qu’ils fonctionneront lorsqu’ils seront fixés à un vaisseau spatial d’un milliard de dollars.

Les tests précédents ont utilisé des lasers, des faisceaux de plasma et des projectiles à grande vitesse pour simuler la chaleur de l’entrée d’un avion dans l’atmosphère. Mais aucun d’entre eux n’était tout à fait juste. « Aucune installation spatiale sur Terre ne peut atteindre les températures élevées que l’on observe lors de la pénétration dans l’atmosphère d’une planète comme Jupiter », explique Mme Kostadinova.

La chaleur torride d’un réacteur

Les nouvelles recherches de Mme Kostadinova et de son collègue Dmitri Orlov, de l’université de San Diego, ont mis en évidence une alternative possible : la chaleur torride qui règne à l’intérieur d’un réacteur de fusion nucléaire expérimental.

Il existe quelques centaines de réacteurs de ce type, appelés tokamaks, dans des installations de recherche financées par les pouvoirs publics dans le monde entier. Les plus connus sont le Joint European Torus, au Royaume-Uni, et ITER, le réacteur thermonucléaire expérimental international, une collaboration entre 35 pays dans le sud de la France.

Les chercheurs utilisent ces tokamaks depuis des décennies pour relever les défis de la fusion nucléaire. Dans un tokamak, de puissants aimants sont utilisés pour maintenir le plasma turbulent afin qu’il atteigne les dizaines de millions de degrés nécessaires pour fusionner les atomes et libérer de l’énergie.

Plasma

Mais Mme Kostadinova et son collaborateur Dmitri Orlov étaient plus intéressés par le plasma à l’intérieur de ces réacteurs. Ils ont réalisé que c’est à peu près la simulation parfaite d’un vaisseau spatial pénétrant dans l’atmosphère d’une géante gazeuse, une planète composée principalement de gaz. M. Orlov travaille sur le réacteur de fusion DIII-D, un tokamak expérimental situé dans une installation du ministère américain de l’énergie à San Diego, mais il a une formation d’ingénieur aérospatial.

Ensemble, ils ont utilisé les installations de l’ICII-D pour réaliser une série d’expériences. Par un orifice situé au fond du tokamak, ils ont introduit une série de tiges de carbone dans le flux de plasma et ont utilisé des caméras à haute vitesse et à infrarouge ainsi que des spectromètres pour suivre leur désintégration. Orlov et Kostadinova ont également tiré de minuscules boulettes de carbone dans le réacteur à grande vitesse, afin d’imiter à petite échelle ce que le bouclier thermique de la sonde aurait subi dans l’atmosphère de Jupiter.

Les conditions dans le tokamak étaient remarquablement similaires en termes de température du plasma, de la vitesse à laquelle il s’écoulait sur le matériau et même de sa composition. Par exemple, alors que l’atmosphère jovienne se compose principalement d’hydrogène et d’hélium, le tokamak DIII-D utilise du deutérium, un isotope de l’hydrogène. « Au lieu de lancer quelque chose à une très grande vitesse, nous avons amené un objet stationnaire dans un flux très rapide », a déclaré Orlov.

Ces expériences, qui ont été présentées lors d’une réunion de l’American Physical Society à Pittsburgh ce mois-ci, ont permis de valider les modèles élaborés par les scientifiques de la NASA à partir des données renvoyées par la sonde. Mais ils servent également de preuve de concept pour un nouveau type de test.

Banc d’essai

Reste à savoir si les réacteurs à fusion nucléaire constitueront un terrain d’essai pratique, car il s’agit de dispositifs incroyablement sensibles conçus dans un but très différent. Orlov et Kostadinov ont eu du temps dans DIII-D dans le cadre d’une mission spéciale d’utilisation du réacteur dans le but d’étendre les connaissances scientifiques. Pour ce faire, ils pourraient utiliser une porte intégrée au tokamak pour tester en toute sécurité de nouveaux matériaux. Mais c’est un processus coûteux. Leur journée à la machine a coûté un demi-million de dollars. Par conséquent, ce type d’expérience ne sera probablement réalisé que sporadiquement à l’avenir.

Grâce à d’autres expériences, Orlov et Kostadinova espèrent que les modèles pourront être améliorés et utilisés pour optimiser la conception du bouclier thermique pour les futures missions. En ajoutant du matériel là où il est nécessaire, mais aussi en l’enlevant là où il n’est pas nécessaire. La mission DAVINCI+ de la NASA, qui sera lancée vers Vénus à la fin de la décennie, pourrait être la première à en bénéficier.

En outre, la technique peut être utilisée pour tester de nouveaux matériaux, comme le carbure de silicium. Ou de nouvelles formes de boucliers thermiques, qui utilisent un mélange de matériaux passifs qui brûlent et d’autres composants qui ne brûlent pas.

Quand ça tourne mal

Ces recherches pourraient également contribuer à la conception des réacteurs de fusion eux-mêmes. Jusqu’à présent, la plupart des recherches se sont naturellement concentrées sur les réactions du plasma au cœur d’un tokamak. Mais à mesure que la fusion nucléaire devient commercialement plus viable, il faudra accorder plus d’attention à la construction des réacteurs. Et à la conception de matériaux capables de contenir la réaction de fusion, et de dissiper l’énergie en toute sécurité si elle tourne mal…