Configuration de PK-4 pour un vol parabolique, utilisée comme modèle d’essai pour la Station spatiale internationale. © ESA
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Expériences sans gravité : le plasma, matériau de l'espace

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L'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale russe (Roscosmos) collaborent pour Plasma Kristall-4 (PK-4), une expérience sur les plasmas complexes, mélanges gazeux à basse température composés de gaz ionisé, de gaz neutre et de particules microscopiques. En étudiant leur comportement en micropesanteur, les astronautes pourront valider des modèles physiques sur Terre et les appliquer dans de nombreux domaines tels que l'industrie ou la santé.

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[EN VIDÉO] Des jets de plasma déformés par des champs magnétiques dans un amas de galaxies  Des chercheurs de l’observatoire astronomique national du Japon ont observé les jets de plasma courbé émis par le trou noir supermassif au centre de la galaxie MRC 0600-399, quelque part dans l’amas galactique Abell 3376. Ils ont ensuite simulé les effets d’une interaction entre de tels jets de plasma et de puissants champs magnétiques. Pour aboutir à une belle correspondance avec les observations.La couleur du jet représente la vitesse du gaz. Du bleu pour la plus lente au rouge pour la plus rapide. Les lignes jaunes représentent les lignes de champ magnétique. Dans la dernière scène, l’intensité du rayonnement électromagnétique prédite par la simulation est montrée en jaune. © Takumi Ohmura, Mami Machida, Hirotaka Nakayama, 4D2U Project, NAOJ 

Depuis l'installation du laboratoire de PK-4, dans le module européen Columbus, sur la Station spatiale internationale (ISS) en 2014, plus d'une centaine d'expériences y ont été menées, et il devrait fonctionner jusqu'en 2023. Comme le souligne la Nasa, il permet à toute une communauté de scientifiques de mener une variété d'expériences qui ont un même point commun : l'utilisation de plasmas complexes.

Qu’est-ce que le plasma ?

La matière existe sous quatre états : solide, liquide, gazeux, et plasma. Ce dernier est composé d'électrons, d'ions et de gaz neutre, et il est partiellement ou totalement ionisé, et électriquement neutre. Il peut s'obtenir en portant un gaz à très haute température. En chauffant, l'énergie est apportée, causant l'excitation des molécules et des atomes desquels les électrons se séparent des noyaux qui deviennent des ions. 

Bien que les plasmas soient les moins communément connus des quatre états de la matière, ils se trouvent partout et représentent plus de 99 % de la matière visible de l'Univers. Par exemple, le Soleil est en réalité une boule de plasma qui se trouve aussi dans la foudre, ou au cœur des flammes, mais aussi dans les écrans de télé, les néons ou les phares de voitures. Dans le domaine spatial, ils sont utilisés dans les moteurs qui propulsent les satellites. 

Les plasmas complexes, eux, sont une catégorie particulière qui contient en plus des microparticules ou nanoparticules en suspension, mais le tout se comporte comme un plasma. Les comètes, les anneaux des planètes ou la poussière interplanétaire sont tous des exemples de plasmas complexes.

Principe de fonctionnement du laboratoire

Les astronautes injectent des particules de poussière microscopiques qui miment les atomes dans un tube de néon ou d'argon. Elles se retrouvent dans un gaz chargé, des ions positifs s'accumulent autour d'elles, elles se chargent progressivement négativement et se repoussent de plus en plus, de la même façon que des atomes dans un fluide. L'interaction des composantes de cette soupe crée des cristaux de plasma. 

L'astronaute russe Sergei Prokopev durant une expérience de Plasma Kristall-4. © Nasa

Les microparticules utilisées dans ce système sont assez grandes pour être observées individuellement en vidéo microscopique. La visualisation de plasmas complexes est équivalente à celle d'un système atomique à travers un microscope, permettant de cibler un atome et de comprendre ses mouvements.

Les chercheurs mènent différentes expériences, mais qui peuvent se diviser en trois catégories :

  1. L'étude des propriétés microscopiques des plasmas complexes : charge des particules, interactions fondamentales, agglomération, croissance des particules. 
  2. L'étude des propriétés macroscopiques des plasmas complexes : hydrodynamique, viscosité, thermodynamique...
  3. L'étude des propriétés de systèmes constitués de nombreuses particules : processus dynamiques tels que la cristallisation et la fonte, ou la nanofluidique

Il est impossible de mener ces recherches sur Terre car, au sol, certaines caractéristiques des plasmas sont masquées par la gravité. Sous l'effet de cette dernière, les particules de poussière tomberaient et ne se comporteraient pas de manière réaliste. En revanche, dans l'espace, elles fonctionnent comme le feraient les atomes dans un fluide. 

Chambre à plasma sur Terre (à gauche) et dans l'espace (à droite). © ESA

Implications futures

L'expérience PK-4 contribue à une meilleure compréhension des plasmas, amenant des progrès pour les industries qui les utilisent. Puisque cet état de matière est présent partout dans l'espace, mieux le connaître permettra de concevoir des vaisseaux spatiaux améliorés

Les recherches à bord de l'ISS se sont déjà avérées fructueuses. Elles ont contribué au développement d'un dispositif qui désinfecte les plaies en y appliquant des plasmas froids, permettant ainsi une meilleure cicatrisation. Le plasma froid pourrait aussi servir à stériliser l'air en y détruisant 99,9 % des virus

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