Le professeur Patrick Hopkins de l’Université de Virginie développe un dispositif à rayons congelés pour refroidir l’électronique dans les engins spatiaux et les jets à haute altitude. La technologie est basée sur le plasma, qui refroidit étonnamment les surfaces avant de les chauffer. Grâce à une subvention de 750 000 $ de l’US Air Force, l’équipe explore des moyens d’amplifier et de prolonger cet effet de refroidissement. (Idée d’artiste.)
Un professeur de l’Université de Virginie pense avoir découvert comment créer un appareil à rayons congelés, inspiré par le méchant de Batman, M. Freeze. Plutôt que d’être une arme, cet appareil est destiné à refroidir l’électronique dans les engins spatiaux et les jets à haute altitude.
Connaissez-vous ce pistolet à rayons glaciaires que le méchant « Batman » M. Freeze utilise pour « glacer » ses ennemis ? Un professeur de l’Université de Virginie pense qu’il a peut-être trouvé comment en fabriquer un dans la vraie vie.
La découverte des rayons congelés
La découverte – étonnamment basée sur la génération de chaleur
« C’est le principal problème en ce moment », a déclaré Hopkins. « Beaucoup d’électronique à bord chauffent, mais ils n’ont aucun moyen de se refroidir. »
L’US Air Force aime suffisamment la perspective d’un rayon de congélation pour avoir accordé au professeur ExSiTE Lab (Experiments and Simulations in Thermal Engineering) 750 000 $ sur trois ans pour étudier comment maximiser la technologie.
À partir de là, le laboratoire s’associera à la société dérivée UVA de Hopkins, Laser Thermal, pour la fabrication d’un prototype de dispositif.
Le professeur a expliqué que, sur Terre – ou dans les airs plus proches – l’électronique des engins militaires peut souvent être refroidie par la nature. La Marine, par exemple, utilise l’eau de mer dans le cadre de ses systèmes de refroidissement liquide. Et plus près du sol, l’air est suffisamment dense pour aider à refroidir les composants de l’avion.
Les doctorants Sara Makarem Hoseini et Daniel Hirt observent la configuration du rayon plasma. Bien que Hirt porte un bonnet en tricot et une veste bouffante pour plus d’effet, le refroidissement est localisé et n’a pas beaucoup d’influence sur la température ambiante environnante. Crédit : Tom Cogill
Le défi de l’espace
Cependant, « Avec l’Air Force et la Space Force, vous êtes dans l’espace, qui est un vide, ou vous êtes dans la haute atmosphère, où il y a très peu d’air qui peut se refroidir », a-t-il déclaré. « Donc, ce qui se passe, c’est que vos appareils électroniques deviennent de plus en plus chauds et de plus en plus chauds. Et vous ne pouvez pas emporter une charge utile de liquide de refroidissement à bord, car cela augmenterait le poids et vous perdriez en efficacité.
Hopkins pense qu’il est sur la bonne voie vers une solution légère. Lui et ses collaborateurs ont récemment publié un article de synthèse à ce sujet et sur d’autres perspectives de la technologie dans la revue ACS Nano.
Plasma : le quatrième état de la matière
La matière que nous rencontrons chaque jour existe sous trois états : solide, liquide et gazeux. Mais il existe un quatrième état : le plasma. Bien qu’il puisse nous sembler relativement rare sur Terre, le plasma est la forme de matière la plus courante dans l’univers. En fait, c’est l’étoffe dont sont faites les stars.
Des plasmas peuvent se produire lorsque le gaz est sous tension, a déclaré Hopkins. Cela alimente leurs propriétés uniques, qui varient en fonction du type de gaz et d’autres conditions. Mais ce qui unit tout plasma, c’est une réaction chimique initiale qui détache les électrons de leurs orbites nucléaires et libère un flux de photons, d’ions et d’électrons, entre autres 
Le jet de plasma dans cet exemple est fabriqué à partir d’hélium, ce qui crée une lueur violette. Le laboratoire expérimentera également d’autres gaz pour identifier celui qui est idéal pour le refroidissement. Crédit : Tom Cogill
Le potentiel du plasma dans les intérieurs d’artisanat
Cependant, Hopkins imagine que le plasma est également utilisé à l’intérieur de l’engin.
La solution typique pour l’électronique de l’air et de l’espace a été une «plaque froide», qui éloigne la chaleur de l’électronique vers les radiateurs, qui la libèrent. Pour l’électronique de pointe, cependant, cela peut ne pas toujours être suffisant.
Hopkins pense que la configuration révisée peut être quelque chose comme un bras robotique qui se déplace en réponse aux changements de température, avec une électrode courte et rapprochée qui zappe les points chauds.
« Ce jet de plasma est comme un faisceau laser ; c’est comme un éclair », a déclaré Hopkins. « Cela peut être extrêmement localisé. »
Le paradoxe du plasma
Fait intéressant : le plasma peut atteindre des températures aussi chaudes que la surface du soleil. Mais il semble également avoir cette caractéristique étrange – une caractéristique qui semblerait violer la deuxième loi de la thermodynamique. Lorsqu’il frappe une surface, il refroidit avant de chauffer.
Hopkins et son collaborateur, Scott Walton du US Navy Research Laboratory, ont fait la découverte inattendue il y a plusieurs années, juste avant que la pandémie ne frappe.
« Ce dans quoi je me spécialise, c’est de faire des mesures de température vraiment, vraiment rapides et vraiment très petites », a déclaré Hopkins à propos de ses instruments microscopiques sur mesure, qui peuvent enregistrer des registres de chaleur spécialisés.
L’effet de refroidissement inattendu
Dans leur expérience, ils ont tiré un jet violet de plasma généré à partir d’hélium à travers une aiguille creuse enfermée dans de la céramique. La cible était une surface plaquée or. Les chercheurs ont choisi l’or parce qu’il est inerte, et autant que possible, ils voulaient éviter la gravure de surface par le faisceau focalisé, ce qui pourrait fausser les résultats.
« Ainsi, lorsque nous avons allumé le plasma », a déclaré Hopkins, « nous avons pu mesurer la température immédiatement à l’endroit où le plasma a frappé, puis nous avons pu voir comment la surface changeait. Nous avons d’abord vu la surface se refroidir, puis elle s’est réchauffée.
«Nous étions juste perplexes à un certain niveau sur la raison pour laquelle cela se produisait, car cela se produisait encore et encore. Et nous n’avions aucune information sur laquelle nous baser car aucune littérature antérieure n’a été en mesure de mesurer le changement de température avec la précision dont nous disposons. Personne n’a été capable de le faire aussi rapidement.
Ce qu’ils ont réalisé
Ce qu’ils ont finalement déterminé, en association avec le chercheur doctorant UVA de l’époque, John Tomko, et la poursuite des tests avec le laboratoire de la Marine, c’est que le refroidissement de la surface devait être le résultat du dynamitage d’une couche de surface ultrafine et difficile à voir, composée de carbone et molécules d’eau.
Un processus similaire se produit lorsque l’eau froide s’évapore de notre peau après une baignade.
« L’évaporation des molécules d’eau sur le corps nécessite de l’énergie ; cela prend de l’énergie au corps, et c’est pourquoi vous avez froid », a déclaré le professeur. « Dans ce cas, le plasma arrache les espèces absorbées, de l’énergie est libérée, et c’est ce qui refroidit. »
Les microscopes de Hopkins fonctionnent selon un processus appelé « thermométrie optique résolue en temps » et mesurent quelque chose appelé « thermoréflectance ».
Fondamentalement, lorsque le matériau de surface est plus chaud, il réfléchit la lumière différemment que lorsqu’il est plus froid. La portée spécialisée est nécessaire parce que le plasma oblitèrerait autrement toutes les jauges de température directement en contact.
Alors, à quel point le froid est-il froid? Ils ont déterminé qu’ils étaient capables de réduire la température de plusieurs degrés et pendant quelques microsecondes. Bien que cela puisse ne pas sembler dramatique, c’est suffisant pour faire la différence dans certains appareils électroniques.
Après le retard de la pandémie, Hopkins et ses collaborateurs ont publié leurs premiers résultats dans Communication Nature l’année dernière.
Puis la question est devenue : Pourraient-ils obtenir une réaction pour être plus froids et durer plus longtemps ?
Affiner le rayon de gel
Travaillant auparavant avec l’équipement emprunté par la Marine – si léger et sûr qu’il était souvent utilisé pour des démonstrations scolaires – le laboratoire UVA a maintenant sa propre configuration, grâce à la subvention de l’Air Force.
L’équipe étudie comment des variations de leur conception originale pourraient améliorer l’appareil. Les doctorants Sara Makarem Hoseini et Daniel Hirt étudient les gaz, les métaux et les revêtements de surface que le plasma peut cibler.
Hirt a fourni une mise à jour du laboratoire.
« Nous n’avons pas encore vraiment exploré l’utilisation de différents gaz, car nous travaillons toujours avec de l’hélium », a-t-il déclaré. « Nous avons expérimenté jusqu’à présent différents métaux, tels que l’or et le cuivre, et semi-conducteurset chaque matériau offre son propre terrain de jeu pour étudier comment le plasma interagit avec ses différentes propriétés.
« Étant donné que le plasma est composé d’une variété de particules différentes, changer le type de gaz utilisé nous permettra de voir comment chacune de ces particules a un impact sur les propriétés des matériaux. »
Hirt a déclaré que travailler avec Hopkins sur un projet aux implications aussi importantes a rajeuni son intérêt pour la recherche, en grande partie grâce à l’environnement de laboratoire favorable que le professeur favorise.
« J’ai l’impression que c’est le jour et la nuit de comparer non seulement où j’étais en tant que scientifique, mais aussi mon plaisir de la science, à où je suis aujourd’hui », a-t-il déclaré.
Financement : US Air Force
