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La foudre bat des records

CC BY SA André Karwath aka Aka

Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, ...

Un moteur moléculaire à effet tunnel

Credit: Empa
Un moteur quantique
Comme d’autres moteurs moléculaires de cette échelle, le fonctionnement de ce nanomoteur conçu à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), met en jeu la mécanique quantique. Mais l’originalité de ce nouveau moteur réside dans le fait que la cause-même ...

Photo-ionisation

A photo of the COLTRIMS reaction microscope built by Alexander Hartung as part of his doctoral research in the experiment hall of the Faculty of Physics. Credit: Alexander Hartung.

La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

Image Vedecom - DR

Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron est émis avec une énergie moyenne de 50 keV. On parle de « rayonnement bêta » ou « électron bêta ». L’énergie de l’électron peut être mise à profit en étant convertie en électricité dans un semi-conducteur, de la même manière que l’énergie du photon est employée dans les piles photovoltaïques.

Les piles « bêtavoltaïques » ont ainsi vu le jour au cours des années 1970. La source bêta radioactive employée était le prométhium-147 ou Pm-147. Elles ont été surtout utilisées pour alimenter les pacemakers. Mais les piles « lithium-ion » offrant de meilleures performances, notamment avec une meilleure durée de vie, sont venues les supplanter sans leurs défauts. L’inconvénient majeur de ces « bêtapiles » provenait du fait qu’elles contenaient non seulement du Pm-147 mais aussi du Pm-146 émetteur de rayonnement gamma qu’il fallait arrêter. Aussi, l’essentiel du volume de ces piles était occupé par de la matière employée comme écran pour stopper ce rayonnement. Ces piles ont donc disparu du paysage.

Un moyen d’utiliser le carbone 14

L’idée de l’énergie bêtavoltaïque n’a pas été abandonnée pour autant. Elle a d’ailleurs refait surface récemment avec comme objectif d’employer le carbone-14 comme source d’énergie. Pour mémoire, le carbone occupe la sixième case du tableau périodique des éléments et possède donc 6 électrons et 6 protons. L’essentiel du carbone sur Terre possède également 6 neutrons. C’est le Carbone-12 ou 12C. L’isotope naturellement très rare du carbone (1 atome sur 1012) avec 8 neutrons ou 14C est instable, radioactif bêta. Or, les Britanniques possèdent beaucoup de C-14 dont ils ne savent que faire. En effet, la technologie employée dans certaines de leurs centrales nucléaires fait appel au graphite comme modérateur, pour réduire la vitesse des neutrons. Mais ce bombardement neutronique produit d’importantes quantités de C-14. Ce radioisotope serait ainsi recyclé dans des piles d’une nouvelle génération, employées dans certains dispositifs électroniques, notamment à bord de satellites. Mais une source bêta ne suffit pas, il faut aussi un semi-conducteur. Or, le carbone est un semi-conducteur. Par conséquent les piles envisagées sont formées de carbone avec une part de C-14.

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Du champagne supersonique
Mise en évidence de jets supersoniques dans le panache éjecté par une bouteille de champagne

Physique du bouchon de champagne

Tout le monde le sait, lorsqu’une bouteille de champagne est débouchée, le bouchon est souvent violemment propulsé… ce qui peut être dangereux s’il percute l’œil. La raison pour laquelle le bouchon saute à environ 50 km/h vient du fait qu’une bouteille de champagne contient 8,8 g de dioxyde de carbone (CO2) soit 0,2 mole, dont l’essentiel est dissout dans le liquide, le reste se trouvant sous pression dans le goulot, en équilibre avec le CO2 dissout. A 20°C, la pression dans le goulot vaut 7 fois la pression atmosphérique, tandis qu’à 30°C, elle lui est 10 fois supérieure. Le bouchon est donc plus fortement poussé vers l’extérieur que l’air ambiant à la pression atmosphérique le pousse vers l’intérieur. Aussitôt après l’expulsion du bouchon, un « nuage » de condensation apparaît au-dessus du goulot. En effet, lors de son expansion, le CO2 pousse le bouchon vers l’extérieur et lutte contre la pression atmosphérique, si bien que l’énergie qu’il dépense pour effectuer ce travail se traduit par une chute de température, le gaz n’ayant pas le temps d’équilibrer sa température avec le milieu ambiant par échange de chaleur : la détente s’effectue de manière adiabatique (sans échange de chaleur). La chute de température provoque la condensation de la vapeur d’eau en liquide et même solide avec apparition de fines gouttelettes et de cristaux. La température après détente est plus basse lorsque la pression initiale est plus importante, c’est-à-dire lorsque la température initiale est plus élevée. Comme la température peut chuter à -90°C, le CO2 peut lui-même geler.

Du nouveau !

C’est en étudiant attentivement ce phénomène que les physiciens français Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier et Robert Georges du CNRS viennent de découvrir une chose surprenante qui a faut l’objet d’une publication (Liger-Belair et al. Sci. Adv. 2019; 5 : eaav5528 20 Septembre 2019) : l’expansion du CO2 s’effectue de manière supersonique (c'est-à-dire plus rapide que 340 m/s) avec formation de ce qui s’appelle un « disque de Mach »… qu’il ne faut confondre avec un « cône de Mach », lequel apparaît lorsqu’un objet - comme un avion par exemple ou une balle - avance à vitesse supersonique. Les disques de Mach sont des ondes de choc bien visibles dans les jets des réacteurs d’avions supersoniques. Le jet de plusieurs mètres de long comporte des stries régulièrement espacées : ce sont les « disques de Mach » appelés aussi en anglais « shock diamonds ». À l’aide d’une caméra ultrarapide, les chercheurs ont pu photographier l’apparition d’un disque de Mach et son évolution au cours du temps. Comme quoi, il y a encore de la physique à découvrir dans une simple bouteille de champagne.

 

Kamil Fadel
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