Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont recréé en laboratoire des conditions extrêmes de pression et de température, comparables à celles régnant dans les atmosphères moyennes d’Uranus et de Neptune. Publiée dans Nature Physics, cette étude permet de lever un mystère de vingt ans sur la fusion du carbone tout en ouvrant des perspectives inédites pour l’énergie de fusion par confinement inertiel.
Des lasers surpuissants pour sonder le carbone à l’état de fusion
Sous leur fine atmosphère, les géantes de glace de notre système solaire subissent des pressions et des températures si gigantesques qu’elles génèrent des pluies de diamants. Pour reproduire ces conditions en laboratoire, l’équipe du Lawrence Livermore National Laboratory s’est associée à l’Omega Laser Facility de la University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics. En vaporisant la couche externe d’un minuscule échantillon, les scientifiques ont déclenché une onde de choc d’une redoutable efficacité à l’intérieur du matériau, ainsi que le rapporte le compte-rendu des travaux publié dans Nature Physics.
Réaliser de telles observations relève de la haute voltige scientifique. Les états de haute pression ne durent qu’un milliardième de seconde, obligeant les chercheurs à capturer la structure atomique à l’aide de mesures de diffraction des rayons X au moment même du changement d’état. Comme le souligne le premier auteur de l’étude, ces manipulations s’avèrent extrêmement délicates en raison de la nature du carbone.
Résolution d’une énigme de vingt ans sur la fusion du diamant
Cette percée expérimentale permet d’apurer un désaccord persistant entre la théorie et la pratique. Il y a environ deux décennies, des expériences pionnières menées par Jon Eggert et ses collègues avaient mis en évidence un comportement pour le moins surprenant du carbone : le diamant devenait plus dense en fondant, un phénomène comparable à la glace qui flotte sur l’eau liquide selon les analyses relayées par Science Daily.
Pourtant, un écart d’environ une proportion importante persistait entre les températures de fusion mesurées en laboratoire et celles prédites par les simulations informatiques sur ordinateur. De plus, des expériences antérieures menées à Sandia National Laboratories à l’aide de la puissante machine Z laissaient supposer l’existence d’une phase cristalline intermédiaire avant la liquéfaction totale du carbone. Grâce à l’amélioration des diagnostics et à l’usage de la diffraction des rayons X, l’équipe a pu clarifier ces zones d’ombre.
Contrairement aux hypothèses suggérées par les données de Sandia, la structure cristalline du diamant se maintient de façon stricte jusqu’au seuil de la fusion, sans phase intermédiaire observable.
Vers un triplement du gain énergétique pour la fusion contrôlée
Au-delà de la planétologie et de la modélisation des intérieurs d’Uranus et de Neptune, ces découvertes possèdent des applications industrielles et énergétiques directes. Dans les réacteurs de fusion par confinement inertiel, le combustible est enfermé dans de minuscules capsules de diamant qui doivent imploser de manière parfaitement homogène sous l’effet de lasers à haute énergie.
Depuis la construction de la National Ignition Facility en 1997, les équipes du laboratoire cherchent à optimiser ces réactions d’ignition. L’utilisation de chocs initiaux légèrement plus lents, rendue possible par la compréhension fine de la fusion du carbone mise en lumière par Marius Millot, permettrait d’accroître la compressibilité du combustible et d’obtenir un rendement supérieur.
Cette optimisation pourrait théoriquement tripler le gain énergétique de ces dispositifs de fusion, offrant ainsi un débouché concret à des recherches fondamentales menées initialement pour comprendre le climat extrême des planètes géantes glacées.