La sonofusion

20 août 2005

Vous savez comment vole un avion, je suppose. Sinon lisez " Si on volait ?", alias " l'Aspirisouffle " . Il se forme une dépression sur le dessus de l'aile, son "extrados".

Aile d'avion

Au fait, quel est l'ordre de grandeur de la dépression régnant à la surface de cette aile ? Prenons un petit avion de tourisme, monoplace. Supposons que son poids en charge soit de 300 kilos et sa surface de voilure de 18 mètres carrés. Ca lui fait un charge alaire de 16 kilos au mètre carré, soit 1,6 gramme par centimètre carré. La pression atmosphérique, au niveau du sol étant de mille grammes par centimètre carré, cette différence de pression moyenne entre l'extrados et l'intrados de l'aile est de l'ordre de quelques millibars. Cela explique pourquoi on peut voler avec des avions entoilés et qu'il ne soit pas recommandé de mettre le pied sur l'aile, en dehors des parties réservées à cet effet. Sinon on passe au travers.

Qu'en est-il dans l'eau ? Elle est mille fois plus dense que l'air. A la même vitesse on peut donc "voler dans l'eau" avec des "ailes" beaucoup plus petites. On les appelle des "foils".

Ailes et foils

Si on arrive ainsi à se sustenter sur des surface aussi réduites c'est que les variations de pression sont beaucoup plus importantes. Imaginons que ces foils se déplacent très près de la surface liquide, donc dans un milieu où la pression ambiante est proche d'un kilo par centimètre carré. Le bateau de droite va se sustenter grâce à des différences de pression autrement plus importantes que celles qu'on mesure autour du profil d'une aile d'avion. C'est la raison pour laquelle les foils ne sont pas entoilés, mais faits de bon et solide acier.

Pourquoi, au fait, une dépression sur l'extrados de l'aile ? Dans l'eau, cela se comprend plus aisément. La masse fluide percute le profil au point d'arrêt puis réaccélère. Ce faisant elle acquiert une survitesse et subit également les effets de la force centrifuge.

Que se passe-t-il lorsqu'un liquide est soumis à une dépression ? Nous pouvons faire cela à l'aide d'un cylindre et d'un piston. Si en tirant sur le piston nous faisons tomber la pression dans le liquide à une valeur inférieure à celle de la pression de vapeur saturante à la température considérée, des bulles ( de petite taille ) vont se former. Elles n'ont rien à voir avec les bulles du Champagne, qui traduisent la présence de gaz dissous dans le breuvage. Celles-ci sont alors emplies de vapeur d'eau. C'est le phénomène de cavitation.

Phénomène de cavitation

Voici une photographie du phénomène, provoqué dans un cylindre.

Bulles de cavitation

En 1917 l'Amirauté Britannique convoqua le physicien William Strutt, alias Lord Raleigh pour lui soumettre un étrange problème. Les hélices de bronze des navires de sa Majesté étaient toutes abîmées, constellées de petits trous, alors qu'elles étaient quasi neuves. Les Amiraux se demandaient si la mer pourraient héberger en son sein des parasites capables de s'attaquer au métal des hélices. Ci-après une photo, plus récente, montrant les ravages que peut créer le phénomène de cavitation sur les pales d'une pompe centrifuge.

Dégâts dusà la cavitation, sur une pompe centrifuge. Assez impressionnant, non ?

Voici une vue rapprochée, montrant les "piqûres" observées dans le métal.

Dégâts dusà la cavitation sur une pale de bronze.

Contrairement à ce qu'avaient au départ pensé les amiraux anglais il ne s'agissait pas d'hydro-guêpes d'espèce inconnue. Lord Raleigh se livra à quelques calculs et leur fournit l'explication. Sur les pales de leurs hélices les dépressions produites s'avéraient assez fortes pour que la pression tombe, localement, en dessous de la pression de vapeur saturante de l'eau. Celle-ci entrait donc, localement, en ébulltion. Un détail : quelle est, à la température ambiante, la pression de vapeur saturante de l'eau ?

Réponse : quelques pascals soit un centième de millibar. Les dépressions qui se créent autour des pales, en hydraulique, sont très intenses. C'est la raison pour laquelle nous parvenons à propulser un hors bord avec un objet aussi ridiculement petit qu'une hélice. Voici une pale d'hélice en rotation. La flèche indique la présence des bulles de vapeur d'eau correspondant au phénomène de cavitation.

Cavitation près du bord d'attaque d'une pale d'hélice en rotation.

On distingue un filet de bulles de valeur d'eau qui naissent au bord de la pale. Mais leur origine est d'une autre nature. Elle est due au tourbillon marginal et s'apparente ainsi aux traînées de condensations qui se forment à l'extrêmité des ailes des avions. Nous n'en parlerons pas ici. Considérons l'évolution de la pression le long de l'extrados d'une pale d'hélice :

Evolution de la pression le long de l'extrados d'une pale d'hélice

La courbe n'est que schématique. On voit que le long de la corde du profil la pression chute rapidement. Quand elle devient inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide, de l'eau, des bulles apparaissent, qui grossissent au fur et à mesure que cette pression continue de descendre. Même si la suite du profil reste, par rapport à la pression ambiante, en dépression, la pression finit par remonter et par devenir de nouveau supérieure à la pression de vapeur saturante dans l'eau. Alors la vapeur d'eau tend à disparaître, ce qu'on voit sur la photographie.

Tout le monde sait qu'en mécanique des fluides les phénomènes de détente ne s'effectuent pas de la même manière que les phénomènes de recompression ( ou de recompression ). Quand la pression se met à croître la paroi de la bulle se comporte comme un piston sphérique qui agirait sur un gaz, en concurrence sur de la vapeur d'eau. Si la vitesse d'implosion de la bulle est supérieure à la vitesse du son dans la masse de vapeur ( et elle l'est ) alors une onde de choc sphérique naîtra, qui convergera vers le centre géométrique de l'objet, en emportant avec elle une énergie importante, assez pour créer ces "piqûres" dans le métal de la pale et, au finish, pour occasionner des destructions aussi importantes que celles que nous avons pu voir sur les aubes de la pompe, plus haut.

Explication des dégâts liés au phénomène de cavitation.

On connaît les systèmes dit "à charge creuse". On met alors à feu un explosif sur tout la surface d'une paroi conique ( en utilisant un produit détonant à très forte vitesse de propagation ). La surface du cône émet alors une onde de choc très intense, dont l'énergie se focalise selon l'axe du système. Il se forme alors un "dard", capable de percer un blindage d'acier dont l'épaisseur est de l'ordre du diamètre du cône ( mais le dard crée un trou de beaucoup plus petit diamètre ). L'implosion de la bulle évoque, comme me le faisait remarquer Christophe Tardy, la focalisation de l'énergie véhiculée par une onde de choc sphérique. Si on concevait des charges creuses construites autour de cavité non pas coniques mais sphériques on pourrait concentrer au centre de cette sphère, au point de focalisation une très forte énergie. C'est ce qui se passe avec la cavitation.

Comme nous l'avons dit, le phénomène de cavitation fut découvert en 1917. En 1930 on sut produire des ultrasons de manière assez intense. Un nouveau phénomène se manifesta en 1934 à l'université de Cologne, qui déconcerta considérablement les physiciens. Quand on soumettait un liquide à des ultra-sons, comme de l'eau par exemple, ce fluide émettait de la ... lumière. On donna à ce phénomène le nom de sonoluminescence.

Sur le moment personne ne comprit quelle était la raison suffisante de ce phénomène. Il est, expérimentalement, sans mystère puisque vous pouvez même commander le dispositif expérimental en kit :

Le kit américain pour expériences de sonoluminescence ( http://www.sonoluminescence.com )

Voici cette émission de lumière, photographiée :

Effets de sonoluminescence

Des bulles se forment, qui se dilatent et se contractent au rythme de l'émission des ultrasons. ( ici sous vingt huit kilohertz ). Leur taille est de l'ordre du micron. Le phénomène est mal connu et les mesures restent délicates. Les auteurs ne sont pas tous d'accord sur les pics de pression et de température atteints au centre de la bulle en fin de compression, mais dans tous les cas de figure les température sont supposées dépasser les dix mille degrés. C'est ce qui explique l'émission de lumière. A de telles températures les molécules sont dissociées et même ionisées. On suppose que la sonoluminescence s'accompagne de la création d'un micro plasma. Depuis ces dernières années il a été possible de produire la sonoluminescence sur une seule bulle, en piégeant celle-ci par phénomène de résonance acoustique. Les flash émis sont de très courte durée ( de l'ordre de la dizaine de picosecondes ). L'évaluation en température se fonde sur la longueur d'onde des rayonnements émis, qui correspondentà une énergie d'un électron-volt. Comme le rayonnement peut monter jusque dans l'ultra-violet on suppose que les températures atteintes dépassent les dix mille degrés ( 1 eV ) et certains vont même jusqu'à avancer qu'elles puissent être bien plus grandes ( jusqu'à un million de degrés, voire plus ). Voici un effet de luminescence "cumulé" ( où les micro-bulles apparaissent n'importe où ) :

Sonoluminescence

Beaucoup de gens se demandent aujourd'hui si en utilisant le collapse de micro-bulles on ne pourrait pas atteindre des conditions, en fin de compression, qui puisse déboucher sur des réactions de fusion thermonucléaire. Nous avons été consulter un article issu de la revue Scientific American, qui véhicule la position des sceptiques. Personnellement je pense qu'il s'agit d'un problème "ouvert". Les faits sont là. Le phénomène de cavitation et celui de la sonoluminescence montrent que cette contraction de bulles permet d'obtenir des pressions et des températures remarquablement élevées. Le numéro d'Août 2005 du site de Scientific American reproduit "des réponses d'experts". La question posée par un lecteur était :

- The bubbles produced by ultrasound in water (sonoluminescence) reach extremely high temperatures and pressures for brief periods. Could these conditions initiate or facilitate nuclear fusion, as suggested in the recent movie "Chain Reaction"?

- Les bulles produites par des ultrasons dans l'eau ( sonoluminescence ) permettent d'atteindre des températures et des pressions extrêmement élevées. Est-ce que ce système pourrait permettre d'initier ou de faciliter des réactions de fusion, comme récemment suggéré dans le film " réaction en chaîne "?

Remarque : Il est exact que lorsqu'on a fait pour la première fois exploser une bombe H dans l'eau les scientifiques se sont demandés sur cela ne pourrait pas donner naissance à une réaction en chaîne dans l'ensemble des océans.

Voici la réponse de l'expert :
http://www.sciam.com/askexpert_question.cfm?articleID=000950E3-6815-1C71-9EB7809EC588F2D7&pageNumber=3&catID=3

- Lorsque le champ de pression s'inverse, la pression devient alors supérieure à la pression de vapeur ( saturante ) et la vapeur se condense rapidement et toute l'énergie qui avait été donnée à la bulle pendant sa phase d'expansion est maintenant disponible pour être concentrée dans une petite région, au fur et à mesure que la bulle subit un collapse. On appelle cela la cavitation acoustique. Ce collapse implosif est dominé par les forces d'inertie du liquide entourant la bulle. La faible quantité de vapeur résiduelle présente dans la bulle participe à ce processus Ainsi la densité d'énergie obtenue peut-elle devenir plus élevée que celle du milieu initial. D'où cette émission d'énergie électromagnétique qui s'effectue avec des énergies de l'ordre de l'électron-volt ( 10.000° ). On appelle cela la sonoluminescence. Cette température est assez élevée pour susciter des réactions chimiques. La revue a publié un article sur ce sujet des effets chimiques des ultrasons : ( "The Chemical Effects of Ultrasound," by Kenneth S. Suslick in Scientific American, Vol. 260, No. 2, pages 8086 [or 62-68 for non-U.S. readers]; February 1989). Si nous voulons envisager des processus nucléaires, nous devons envisager des échelles qui se situent alors aux environs de la dimension des noyaux et des énergies qui sont typiquement de l'ordre du Mev.

Remarque rapide entre équivalence entre énergie mesurée en électron-volts, température absolue et longueur d'onde. On écrit :

e V = k T = h ( nu )

e = 1,6 10 ^-19 coulomb ( charge unitaire )
V = mesure de l'énergie en "électron-volts"
k = 1,38 10^-23 ( constante de Boltzmann )
T = Température absolue
h = constante de Planck ( 6,63 10 ^-34 )
nu ( lettre grecque ) = fréquence = c / lambda.
l ambda : longueur d'onde, en mètres.
c = vitesse de la lumière, en mètres car seconde : 3 10⁸ m/s

Un électron volt = ( e/k ) ° Kelvin = 11.594 °K

La longueur d'onde associée à une énergie égale à un électron-volt est : lambda = ( h c ) / e = 1,24 10^-6 mètre = un micron.

S'il y a émission d'UV cela rendrait à dire que la température max atteinte par sonofusion irait jusqu'à 15.000°K. Mais on ne vas pas chipoter pour quelques misérables milliers de degrés.

L'expert répond immédiatement à la question posée par le lecteur en disant qu'à son avis il est exclu d'envisager que la sonoluminescence puisse provoquer la fusion et qu'il manque six ordres de grandeur ( le rapport entre l'électron-volt : dix mille degrés, et le Mev, dix millions de degrés, un million de fois plus ). Il ajoute :

- Il y a eu une faible lueur d'espoir quand on a disposé d'indication comme quoi l'implosion de la bulle pourrait s'accompagner de la naissance d'une onde de choc qui prendrait naissance dans le gaz contenu dans la bulle. Cette onde de choc peut comprimer ce gaz et William C. Moss ainsi que ses collègues du Lawrence Livermore National Laboratory ont obtenu des estimations théoriques comme quoi les valeurs atteintes pourraient alors approcher celles requises pour réaliser la fusion. Putterman et ses collègues de l'Université de Californie ont mesuré la vitesse de l'interface de la bulle et ont pu montrer que celle-ci était de l'ordre de quatre à cinq fois plus élevée que la vitesse du son dans la vapeur contenue dans la bulle. Ainsi, ces résultats ont semblé assez prometteurs. Andrea Prosperetti, dans une précédente "réponse d'expert" a précisé que pour que la compression soit efficace il fallait que l'onde de choc garde une symétrie sphérique. Mais il a ajouté qu'il doutait que cela fut possible.

Remarque : avis proféré sans justification. Voir plus loin.

L'expert de Scientific Americain continue :

- Tom Matula et ses collègues de l'Université de Washington ont observé une onde de choc après le collaspe de la bulle, qui pourrait être un effet en retour du collapse d'une onde de choc.

La fin du commentaire, qui semble se référer ensuite à un film tenant plus de la science fiction qu'autre chose n'offre guère d'intérêt. Mais on doit retenir de ce propos la mise en évidence de l'onde de choc. C'est elle, et non le mouvement de la masse liquide qui est susceptible de créer une concentration d'énergie suffisamment puissante.

On remarquera aussi que l'expert ( et le lecteur ) ne se réfèrent qu'à des expériences de sonoluminescence faites dans l'eau. Or on peut faire cela avec n'importe quel liquide. Le numéro d'oaût de Science et Vie évoque des expériences qui ont été faites dans de l'acétone. Bien qu'étant totalement nul en chimie ( je le confesse : il n'existe pas de Lanturlu sur la chimie, travail pour lequel je requiers l'aide de lecteurs ) il me semble que l'acétone est plus volatil que l'eau. Sa densité est voisine de celle de l'eau ( 0,79 au lieu de 1 ). On lit que la tension de vapeur saturante de l'acétone est de 178 mm de mercure à 20°, contre quelques centièmes de millimètre de mercure pour l'eau. Les deux sont donc dans un rapport qui est de l'ordre de dix mille. Hervé Lemonnier, du laboratoire d'instrumentation et d'expérimentation ( LIEX ) du CEA, situé à Grenoble dit "pour beaucoup, la filière de la sonofusion tenait du miracle ou du canular".

L'équipe de Rusi Taleyarkan ( de Purdue, Indiana ) et de Lahey ( Institut Rensselaer de Troy, près de New York ) prétend avoir atteint des températures de dix millions de degrés lors d'expériences menées à Oak Ridge, dans le Tennesse. La publication, sortie en 2002, avant suscité un tollé à l'époque. Mais deux ans plus tard les deux chercheurs américains ont utilisé de l'acétone dopé au deutérium. Ils constatent que les bulles qui se forment se dilatent d'un facteur 100.000, au lieu d'un facteur cent dans l'eau. Tout ceci semble indiquer qu'en fin d'implosion ces systèmes devraient conduire à des pression de l'ordre du gigabar, capables de rapprocher suffisamment des noyaux pour provoquer leur fusion. Les expériences, dixit ces chercheurs, ont mis en évidence une émission de neutrons à 2,5 Mev et de ... tritium !

Des scientifiques sont sceptiques vis à vis d'un tel résultat. Dans Scientific American on lit que pour que cette expérience ait pu fonctionner il aurait fallu que les chercheurs parviennent à assurer la focalisation régulière d'une onde de choc sphérique. Et il ajoutent "que c'est impossible, vu qu'on n'y parvient pas dans la fusion par laser".

Il y a en effet un lien de parenté entre les deux phénomènes. Dans la fusion par laser on insole la surface extérieure d'une couche appelée "pusher", " le pousseur", entourant une cible constituée d'un mélange de fusion ( deutérium plus tritium ).

Fusion par laser avec insolation et expansion régulière du pusher.

L'expansion du puscher provoque le départ de deux ondes de choc : vers l'extérieur et vers l'intérieur. C'est, au passage, l'analogue de ce qui se passe dans une supernova, une étoile massive qui explose.

J'ai été le premier non-américain à voir ces manips de près au Lawrence Livermore Laboratory en 1976. Le Suédois Alström était, avec le théoricien Nuchols, responsable de cet effort de développer la fusion par laser. A l'époque il y avait en place le banc " Janus ", équipé de deux lasers d'un térawatts. " Shiva " qui comportait 24 lasers, était en construction, juste à côté. Quand je suis revenu en France et que j'ai employé le mot " térawatt " ( un million de mégawatts ) personne n'a voulu me croire et la revue Science et Vie ( dirigée alors par Philippe Cousin ), à qui j'avais pourtant ramené de magnifiques photos en couleur de cet engin ( un véritable scoop à l'époque ), après avoir pris avis des "spécialistes" du CEA, considéra mon papier comme une mystification et le fit complètement rewriter par la journaliste scientifique française Françoise Harroy-Mounin.

On peut se demander comment un astrophysicien français, en poste à l'observatoire de Marseille, a pu s'introduire ainsi dans un des sanctuaires de la science américaine de l'époque. L'histoire vaut la peine d'être contée. Comme je ne citerai aucun nom et que certains intéressés sont morts depuis longtemps, ça ne tirera pas à conséquence. Au départ, au début des années soixante on ne connaissait que les lasers à gaz ( initialement les lasers hélium-néon, puis les lasers de puissance à CO₂ ). Alström fut le premier à comprendre que pour accroître la puissance des lasers il fallait opter pour des matériaux où l'énergie "pompée", ( par "pompage optique" ) était restituée en un temps très bref. Il opta alors pour des substances lasantes solides, comme du verre dopé au néodyme ( une terre rare ). Le pompage était obtenu en insolant d'énormes blocs ( qui faisaient jusqu'à un mètre de diamètre ) avec une batterie de lampes au krypton, ou au xénon. La présence de néodyme donne au verre une belle couleur rose pâle. Mais Alström craignait, à juste titre, de se faire piquer l'idée par ses collègues américains. Il conçut alors le projet d'aller développer cela plus discrètement en France et atterrit alors dans un un laboratoire où je travaillais à l'époque, dont je tairai le nom. Je dis à Alström :

- Mon pauvre ami. En quittant les Etats-Unis et en arrivant ici, vous êtes tombé de Charybde en Scylla. Notre cher patron est un bandit de grands chemins, aux états de service déjà bien remplis. Il a l'air brave comme tout. Mais ne vous y fiez pas. Sous ses dehors débonnaires et décontractés c'est un brigand dénué du moindre scrupule.

Alström se le tint pour dit. Il développa sous les yeux de son patron français des lasers à gaz et cacha soigneusement les essais qu'il fit sur des lasers au néodynme. Il utilisa sans doute quelque subterfuge pour justifier l'achat de ce matériau, importé des Etats-Unis. L'autre ne se méfia pas plus que cela. En vérité, je ne suis pas sûr qu'à l'époque notre dinosaure de patron avait réellement compris comment fonctionnait un laser. Quand l'Américain repartit aux Etats Unis la véritable nature des travaux qu'il avait faits en France, et qu'il publia une fois sa rentrée effectuée, éclata au grand jour. Je me souviens de mon patron, ivre de rage, arpentant les couloirs du laboratoire :

- Cet Alström, c'est un bandit !

A bandit, bandit et demi....

L'image du dessus représente ce qu'on avait souhaité faire. Mais dans les faits il s'avéra impossible ( et c'est le cas depuis 40 ans ) d'insoler le pusher de la même manière sur tous les points visés. Le problème ne se situe pas dans le pointage des faisceaux mais dans le synchronisme parfait des apports d'énergie. Dans les faits, on obtint ceci :

Dilatation irrégulière du pusher.

Il se passe alors ce qui arrive quand vous tentez de comprimer de la pâte à modeler entyre vos deux mains : elle fiche le camp entre vos doigts.

Pour imaginer le comportement de l'onde de choc produite, nous allons employer une analogie hydraulique. Imaginer une pièce d'eau qui comporte une remontée de fond bien régulière, de forme conique. Autour de celle-ci nous disposons une cloison permettant de créer une différence de hauteur d'eau ( de pression ). Puis enlevons la cloison d'un geste brusque.

Dispositif permettant la création d'une onde de choc centripète.

Un front liquide va se former, qui est l'analogue d'une onde de choc. Vous pouvez d'ailleurs créer, chez vous, l'analogue d'une onde de choc circulaire, stationnaire, en faisant simplement couler de l'eau dans votre évier :

Onde circulaire se formant dans un évier

Revenons à notre focalisation d'onde de choc sphérique, très "dure" ( on les appelle alors des "blast waves" ). Là, l'onde est mobile et se déplace vers le centre géométrique du système.

Bonne focalisation d'une onde centripète ( analogique hydraulique )

Abandonnons l'évier et revenons à la manip suggérée. La remontée de fond conique va accentuer la montée du front d'onde. Se rappeler "l'effet tsunami". Si l'onde a été créée de manière bien circulaire, au départ, tout se passera bien.

Mais dans la fusion par laser tout se passe très mal. Des parties du "pusher" se trouvent chauffées plus que d'autres, et on obtient ce qu'on montrait dans une figure précédente. On peut simuler cela en hydraulique en mettant derrière la cloison circulaire des bassins de hauteur différente ( on pourrait aussi mettre des cloisons qui ne seraient pas toutes à la même distance du centre géométrique, ce qui reviendrait au même et simulerait le défaut de synchronicité des insolations.

Mauvaise focalisation de l'onde de choc centripète ( simulation hydraulique )

C'est exactement ce qui se passera dans la manip " Mégajoule " dont on nous rebat les oreilles depuis des années, et qui à coup de milliards d'euros se monte au Barp, près de Bordeaux. Périodiquement les revues de vulgarisation scientifique, à la botte du pouvoir, vous chanteront de jolies chansons, comme quoi " on s'apprête à recréer un soleil en laboratoire ". Exemple, l'article de Jean-François Augereau ( le monde, septembre 2003 ), intitulé " Les feux de l'enfer dans une chambre dorée ".

Tant qu'à faire, pourquoi ne pas brûler carrément des billets de 50 euros ?

Feux de l'enfer mes genoux....

Peu de chances que le Cnrs proteste. On lui a donné au passage quelques miettes, quelques postes pour ses chercheurs.

Mégajoule ne marchera pas. C'est sans importance. Ca n'est qu'un " projet-écran ", destiné à cacher aux Français la tenue d'expériences nucléaires souterraines furtives, dans des mines. Il faut être journaliste scientifique pour croire que depuis 1996 ( depuis neuf années au moment où j'écris ces lignes ), la France n'a procédé à aucun essai nucléaire. Je me suis tué à attirer l'attention des gens sur cette question. J'ai même eu droit à un procès pour cela. Les Français ... se démerderont avec leurs hommes politiques et ingénieurs militaires, parfaitement irresponsables, quand le moment sera venu de payer l'addition sur le plan écologique, dont le prix sera sans précédent connu ( entraînement des déchets des explosions, par circulation phréatique, après dissolution de leur prison de calcaire, comme dans la mine de Gardanne, ennoyée peu après que j'aie soulevé ce lièvre, pour éviter toute enquête in situ ).

Revenons à ce thème de la sono fusion. Je trouve l'approche intéressante parce que le système dans lequel l'impulsion est donnée par la recompression du milieu ambiant semble valable. Il me semble que cette affaire pourrait alors créer des ondes de choc centripètes à symétrie sphérique ( on sait au moins que pendant la première phase : l'expansion, la bulle a une belle symétrie sphérique ). Physiquement, si l'onde est proche de la sphère, au départ, il me semble qu'elle conservera sa sphéricité et pourrait produire des compressions très importantes.

Départ d'une onde de choc centripète dans une bulle de cavitation

C'est la raison pour laquelle je trouve que l'argument de " l'expert de Scientific American " ne tient pas. Les deux phénomènes sont seulement "cousins". La sono fusion. me semble constituer une voie à explorer, peu coûteuse du reste. A l'inverse, avec la fusion par laser, ruineuse : aucune chance. Dès le départ l'onde a la forme d'une patate qui a germé.

Une petite remarque en passant, si vous avez envie de monter une petite expérience qui vous permette de voir comment une onde sphéroïdale centripète se renforce en convergeant vers son centre géométrique.

Construisez un canal dont le fond affecte la forme d'une surface conique. Servez-vous de carton, que vous vernirez pour qu'il ne se ramollisse pas au contact de l'eau. Disposez une cloison et emplissez le tout d'eau, de manière à créer une différence de niveau de 5 mm. Quand vous enlevez vivement la cloison, une vague, équivalant à une onde de choc", partira vers le sommet du cône, se renforçant rapidement. Pensez à laisser assez de place en amont de la cloison pour que " l'onde de détente " puisse courir librement, sans se réfléchir trop tôt sur le fond de votre cuve conique.

Simulation hydraulique de l'implosion d'une onde de choc sphérique

Un tsunami se produisit un jour en Alaska, s'engouffrant dans un fiord. Le résultat fut ... une vague de plusieurs centaines de mètres de haut. Phénomène identique.

Si le phénomène de sono fusion. se confirmait, jusqu'on pourrait-on aller avec cette technique-là ? Il y a quelques années un alchimiste prit contact avec moi. Il se faisait fort, me disait-il, de créer de l'or à partir d'argent ( en alchimie on appelle cette technique la spagyrie ). Je parlais de cette affaire à mon ami Alain D et nous conviennes d'un marché. Si l'alchimiste réussissait devant nous à opérer un tel prodige, Alain lui payerait derechef un four à micro-onde qui pourrait lui servir à poursuivre ses recherches. Nous imposâmes un protocole expérimental. C'est nous qui devions nous procurer les ingrédients ( simplement de l'argent et de la ... chaux ). Alain disposait d'un four, dont sa femme se servait pour faire de la poterie. Il fallait porter en fusion un mélange d'argent et de chaux, puis jeter vivement celui-ci dans de ... l'eau. Le mélange en fusion se transformait alors en quelque chose qui ressemblait à du popcorn. Une fois sur trois la manipulation était accompagnée d'un claquement très sec, évoquant une onde de choc. Alors, ô surprise, le popcorn était ... plaqué or.

En utilisant un acide fort ( de l'acide nitrique, je crois ) il était alors possible de dissoudre l'objet. En jetant un fragment doré dans une éprouvette tout passait à l'état liquide. Il ne subsistait au fond que des paillettes. L'analyse, à l'eau régale, montrait qu'il s'agissait bien d'or, en quantité infime il est vrai.

L'expérience devrait être refaite. Certains me diront sans doute qu'étant donné la modicité des quantité produites ( sans doute des microgrammes ) cet or étant probablement présent dans les échantillons d'argent et de chaux ( achetés à une entreprise fournissant des ingrédients purs, pour les laboraroires ). Possible. Quoi qu'il en soit il resterait à expliquer comment l'explosion fait ressurgir cet or à la surface des bulles de notre popcorn, ce qui reste une jolie expérience.

Ci-après, ce que j'ai raconté, il y a quelques années, sous la forme d'une nouvelle. Remplacez Peter Small par Jean-Pierre Petit, Morgan par Alain D et Caw par Albert Cau ( celui-ci avait un site, dans le temps. Quelqu'un retrouvera peut être sa trace ).

Comme dans " l'Année du Contact " :

Toute ressemblance avec des personnages imaginaires serait purement fortuite

En guise de conclusion :

Dans ce dossier nous avons vu évoqué un "avis d'expert", émanant d'un correspondant de la " prestigieuse " revue américaine Scientific Américan. Il est apparu dans la suite notre analyse que cet avis péremptoire était plus que sommaire. Je vais même aller beaucoup plus loin, en tant que spécialiste des plasmas ( que je suis toujours, même si j'ai abandonné ce domaine d'étude en 1986 ). Il est extrêmement hasardeux de tirer des conclusion sur les milieux denses, et même hyperdenses. Nous avons vu qu'en 1917 on avait eu la grande surprise de constater que des simples bulles de vapeur d'eau pouvaient dévorer des hélices en bronze de belle façon. En 1934 les physiciens se sont aperçus, fortuitement, qu'ils pouvaient atteindre des températures de 15.000 ° en soumettant de l'eau à des bêtes ultra-sons. Qui nous dit que la fusion n'est pas à porté de main avec des techniques aussi simples ? Il y a pourtant des présomptions. La phénomène a sa logique. De plus, ces recherches sont relativement bon marché.

Par ailleurs une onde de choc est un phénomène qui place un milieu dans un état hors d'équilibre ( thermodynamique ) très prononcé. Nous avions découvert ce type de phénomène, fortuitement, dans les années soixante, avec un grand nombre de chercheurs qui menaient des expériences de ce type. A cette époque on créait des températures de gaz de l'ordre de dix mille degrés en aval d'une onde de choc qui passait dans ce qu'on appelle un " tube à choc " ( shock tube ). Le passage de cette onde de choc se traduisait par une remontée en pression de dix millimètre de mercure à des valeurs de l'ordre de l'atmosphère. Nous mesurions avec différentes techniques ce qui se passait en aval de cette onde de choc. Par exemple les mesures de densité étaient effectuées par un moyen optique, par interférométrie, en jouant sur le fait que l'indice de réfraction du milieu dépendait directement de sa densité. Ce saut de densité représentait la signature du passage de l'onde de choc, qui parcourait le tube à un mile par seconde.

Nous mesurions la montée en température en évaluant le flux de chaleur à la paroi. Pour ce faire nous déposions sur un capteur pariétal, par évaporation sous vide un fin film métallique dont la résistance électrique changeait selon sa température. Sa finesse faisait que son inertie thermique pouvait être considérée comme négligeable. Or, ô surprise, la montée en température se manifestait avec un retard de quelques microsecondes. Comme l'onde de choc parcourait le tube à 1700 mètres à la seconde ceci signifiait que la montée en température était constatée deux centimètres en aval. Pour comprendre cette apparente absurdité il fallait avoir quelques connaissances en théorie cinétique des gaz, ce qui n'était pas le cas de mes collègues qui ne juraient que par les équations différentielles de messieurs Navier et Stockes.

Qu'est-ce qu'une onde de choc ? C'est un ébranlement dirigé selon une certaine direction, un " coup de marteau " appliqué sur des molécules ou des atomes. Ce coup de marteau peut être produit par les atomes d'un solide ( les fragments d'une grenade qui explose ) ou par un liquide brutalement mis en mouvement ( la paroi de la bulle qui, dans l'eau, se contracte brutalement ). La propagation de l'onde de choc traduit le fait que ce " coup de marteau " se trouve répercuté, de proche en proche, de molécule à molécule. Il est unidimensionnel, orienté dans une direction donnée.

Dans notre tube à choc cet ébranlement communiquait aux atomes ( il s'agissait d'argon ) un ébranlement dirigé selon l'axe du tube, selon la direction de la vitesse. La température dans un gaz est la mesure de la vitesse d'agitation des molécules qui le constituent. Stricto sensu, il y a une température pour chaque espèce, dans un gaz qui est un mélange ( et par exemple un plasma est un mélange de gaz d'ions et d'un "gaz d'électrons " ). La définition de la température absolue de l'espèce i dans un mélange de plusieurs espèces est donnée par la formule ( c'est une définition ) :

où k est la constante de Boltzmann ( 1,38 10^-23 ) et m_i la masse de l'élément de l'espèce considérée ( atome, molécule ou électron ). Le collision tendent ( très rapidement ) à rendre égales les températures des espèces d'un mélange, ce qui correspond à un état d'équilibre thermodynamique. Mais il existe, dans votre cuisine, un milieu gazeux très hors d'équilibre. C'est le contenu de votre tube au néon, où les ions sont froids ( vous pouvez vous en assurer en touchant le tube ) mais où les électrons sont à 10-15.000° degrés C. Pour en savoir plus, allez jeter un coup d'oeil à " Pour quelques ampères de plus" dans le CD Lanturlu1 . En 1966 j'ai été le premier au monde à réussir à faire fonctionner un générateur MHD avec deux températures ( six mille pour le gaz, dix mille pour les électrons ), en haute densité cette fois ( pression du gaz : un bar ), résultat qui a été présenté en 1967 à un congrès international de MHD à Varsovie et a permis par la suite à un de mes étudiants, dont je ne citerai pas le nom, de faire une très belle carrère d'administratif au Cnrs et récupérant à son profit ces travaux, après mon départ de l'Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, dont il fit sa thèse de doctorat, mais à propos desquels il ne signa jamais une publication portant son seul nom. Travaux grâce auxquels le prix Worthington lui fut attribué qui lui permirent de devenir directeur du laboratoire d'aérothermique de Meudon d'abord, puis directeur régional du Cnrs, en région PACA,enfin, ce qu'il est toujours actuellement, directeur régional en région île de France sud. Ceci pour signaler que les découvertes faites par certains peuvent profiter à d'autres. Cela fait un peu réglement de compte, 40 ans après, je sais. Mais il est bon de rappeler de temps en temps comment fonctionne le milieu recherche, et c'est hélas toujours d'actualité.

Revenons à ces états hors d'équilibre thermodynamique. La courbe ci-dessus correspond à une distribution dite de Maxwell-Boltmann et représente l'état vers lequel un gaz tend, sous l'effet des collisions.

Une onde de choc crée une anisotropie très prononcée dans le gaz qui s'étend sur une courte distance : quelques "libres parcours moyens". Nous vivons dans un milieu très hors d'équilibre thermodynamique qui s'appelle une ... galaxie et où le fluide et un gaz d'étoiles, ou plutôt un mélange de "gaz d'étoiles différents ". Par " gaz d'étoiles " il faut entendre un fluide dont les atomes sont ... des étoiles. L'anisotropie est très prononcée ( facteur 2 sur les rapports de vitesses moyenne d'agitation thermique, dans les directions où celles-ci sont maximale et minimale ). C'est un état naturel dans le milieu stellaire qui est non-collisionnel et qui ne peut donc pas converger vers un état d'équilibre thermodynamique par collisions. On appelle collisions non pas une rencontre frontale entre étoiles mais un simple croisement où les trajectoires s'infléchissent mutuellement ( les anglo-saxons emploient le mot plus adéquat " encounter" : "rencontre" ). Ces " rencontres " entre étoiles sont si rares qu'on peut considérer qu'elles se se sont pratiquement pas produites dans notre galaxie, depuis des milliards d'années. Sauf dans les amas où naissent les jeunes étoiles. Comme ces interactions tendent à créer une "distribution des vitesses de Maxwell-Boltzmann" cela confère à des étoiles des vitesses assez grandes pour que celles-ci dépassent la vitesse de libération de l'amas. Ainsi ces amas contenant quelques centaines d'étoiles " s'évaporent-ils "assez rapidement. Ceux qu'on appelle le "amas globulaires", comme l'amas d'Hercules, qui contiennent des centaines de milliers de (vieilles ) étoiles sont très faiblement collisionnels et perdent en continu des étoiles, mais à un rythme si faible que cela leur a permis de survivre depuis plus de dix milliards d'années ( ce sont les objets les plus vieux de la galaxie ). Nénamoins il ne sont pas en état d'équilibre thermodynamique et les distributions des vitesses présentent une anisotropie prononcée.

Cette digression astrophysique peut sembler hors sujet. Détrompez-vous. Il y a dix ou vingt ans les "experts-astronomes" étaient convaincus que le Soleil était né seul dans son coin de galaxie et feu mon ami Pierre Guérin me disait :

- Tu risques de te faire mal voir si tu te hasardes à dire le contraire.

Aujourd'hui on s'est fait à l'idée que le Soleil est né dans un amas, qui a aujourd'hui disparu, les autres étoiles s'étant dispersées aux quatre coins de la galaxie.

Les " experts ".....

Je crois que la première chose qu'on doit acquérir en science c'est :

- La modestie vie à vis de ce qu'on croît connaître

- Le doute vis à vis de ce qu'on considère comme "définitivement vrai" ou "définitivement faux".

Ce que les experts" ont le plus difficulté à dire c'est " je ne sais pas quoi vous répondre ". Il  faut produire absolument une réponse, quelle qu'elle soit.

Rappelez vous que la science, comme toute forme de pensée, n'est qu'un système organisé de croyances.

Immédiatement en aval d'une onde de choc, quand la densité a cru très brutalement, l'impulsion est transmise par les collisions, de proche en proche. Mais c'est comme au billard. Les premières collisions transmettent une impulsion dont la direction est peu différente de la direction de l'impulsion initiale. Il faut " quelques collisions " pour que ces énergie ( cinétiques ) se redistribuent dans toutes les directions et que le milieu "se thermalise". Dans un gaz en état d'équilibre thermodynamique les molécules ont des vitesses d'agitation distribuées de manière isotrope ( c'est le cas de l'air que vous respirez ). Dans notre expérience, l'isotropie mettait " un certain temps à s'établir ". Ainsi, immédiatement derrière l'onde de choc le gaz était "chaud", au sens où les vitesses d'agitation thermique de ses atomes s'étaient accrues. Mais il ne pouvait pas transmettre cette température à la paroi par flux de chaleur, parce que cette agitation thermique n'avait pas encore de composante perpendiculaire à celle-ci.

Cet exemple montre combien il est important, quand on est physicien, de mêler constamment expérimentation et théorie, si on ne veut pas que l'expérience vous joue de temps en temps des tours pendables.

Dans cette affaire d'implosion de bulles je ne jurerais pas que cette histoire d'onde de choc puisse être gérées avec des équations différentielles de Navier-Stockes. Le fluide, la vapeur choquée, pourrait se trouver dans un état très anisotrope. Par ailleurs ce fluide devient très vite hyperdense. Si c'est un plasma ( et à 15.000° il est automatiquement ionisé, ô combien ! ) c'est un plasma hyperdense, qui est la chose la plus mal connue qui soit ( pensez au phénomène de la foudre en boule ). Un plasma à haute densité ne se comporte pas du tout comme un plasma peu dense, ou de densité moyenne.

Pour vous dire le fond de ma pensée, je ne m'aventurerais pas à décrire avec autant d'assurance ce qui peut se passer quand une onde de choc centripète se focalise. Seul un expert de Scientific American, qui se sent tenu d'apporter à tout prix des réponses à ses lecteurs se hasarde à le faire. Même remarque pour " le popcorn plaqué or " et la façon dont on l'obtient.

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