Une percée effrayante : la science derrière un réel

Par École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie2 août 2023

Le professeur Patrick Hopkins de l'Université de Virginie développe un dispositif à rayons gelés pour refroidir les composants électroniques des engins spatiaux et des avions à réaction 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 les moyens d’amplifier et de prolonger cet effet de refroidissement. (Concept de l'artiste.)

Un professeur de l'Université de Virginie pense avoir découvert comment créer un appareil à rayons gelés, inspiré du méchant de Batman, M. Freeze. Plutôt que d’être une arme, cet appareil est destiné à refroidir les composants électroniques des engins spatiaux et des avions à réaction à haute altitude.

Connaissez-vous ce pistolet à rayons gelés que le méchant de « 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.

The discovery – surprisingly based on heat-generating plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> le plasma – n’est cependant pas destiné aux armes. Patrick Hopkins, professeur de génie mécanique et aérospatial, souhaite créer un refroidissement de surface à la demande pour l'électronique à l'intérieur des engins spatiaux et des avions à réaction à haute altitude.

"C'est le principal problème à l'heure actuelle", a déclaré Hopkins. « De nombreux composants électroniques à bord chauffent, mais ils n’ont aucun moyen de se refroidir. »

L'US Air Force aime tellement la perspective d'un rayon de gel qu'elle a accordé au laboratoire ExSiTE (Expériences et simulations en génie thermique) du professeur 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.

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 des océans dans ses systèmes de refroidissement liquide. Et plus près du sol, l’air est suffisamment dense pour contribuer à maintenir les composants de l’avion au frais.

Les doctorants Sara Makarem Hoseini et Daniel Hirt observent la configuration des rayons plasma. Bien que Hirt porte un bonnet en tricot et une doudoune pour plus d'effet, le refroidissement est localisé et n'a pas beaucoup d'influence sur la température ambiante environnante. Crédit : Tom Cogill

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 vous ne pouvez pas embarquer une charge utile de liquide de refroidissement, 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 cette technologie dans la revue ACS Nano.

La matière que nous rencontrons quotidiennement existe sous trois états : solide, liquide et gazeux. Mais il existe un quatrième état : le plasma. Bien que cela puisse paraître relativement rare sur Terre, le plasma est la forme de matière la plus répandue dans l’univers. En fait, c’est de cette matière dont sont faites les étoiles.

Plasmas can occur when gas is energized, Hopkins said. That powers their unique properties, which vary based on the type of gas and other conditions. But what unites all plasma is an initial chemical reaction that untethers electrons from their nuclear orbits and releases a flow of photons, ions and electrons, among other energetic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"species./p>

“We haven’t really explored the use of different gasses yet, as we’re still working with helium,” he said. “We have experimented so far with different metals, such as gold and copper, and semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"semiconductors, and each material offers its own playground for investigating how plasma interacts with their different properties./p>