LE MONDE SELON LA PHYSIQUE /PHYSICS WORLD/2019 JAN SUITE 16

Après les surprises de la  «  fraction de charge »  de l’électron de la semaine ^passée  je vous propose deux de mes traductions sélectionnées sur mon fournisseur le plus fréquent   NEWSPAPPER SCIENCE    X que je remercie vivement

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Une autoroute de transport de  proton pourrait ouvrir la voie à de meilleures batteries haute puissance

par l'Oregon State University

Proton transport 'highway' may pave way to better high-power batteries

Des chercheurs de l'Oregon State University ont découvert qu'un mécanisme chimique décrit pour la première fois il y a plus de deux siècles pouvait potentiellement révolutionner le stockage d'énergie pour des applications à forte puissance telles que les véhicules ou les réseaux électriques.

L'équipe de recherche dirigée par Xiulei (David) Ji du Collège des sciences de l'OSU, ainsi que des collaborateurs du Laboratoire Argonne National, de l'Université de Californie Riverside et du Laboratoire national Oak Ridge, sont les premiers à démontrer que la diffusion peut ne pas être nécessaire pour  transporter des charges ioniques à l'intérieur d'une structure à l'état solide hydratée d'une électrode de batterie.

"Cette découverte modifiera potentiellement tout le paradigme du stockage d'énergie électrochimique de haute puissance avec de nouveaux principes de conception pour les électrodes", a déclaré Xianyong Wu, chercheur postdoctoral à OSU et premier auteur de l'article.

Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Nature Energy.

"Trouver des électrodes faradiques qui allient la densité énergétique de la batterie et la puissance du condensateur avec une excellente durée de vie du cycle représente un défi de taille", a déclaré Ji, professeur agrégé de chimie. "Jusqu'à présent, la plus grande partie de l'attention a été consacrée aux ions métalliques, à commencer par le lithium et en passant par le tableau périodique." L’équipe collaborative, cependant, s’est intéressée - au seul proton de l’hydrogène - et a aussi regardé dans le temps, Theodor von Grotthuss, un chimiste lituanien né en Allemagne qui, en 1806, rédigea la théorie sur le transport de charge en électrolytes.

Von Grotthuss n'avait que 20 ans et vivait dans une région en proie à des bouleversements politiques lorsqu'il publia "Mémoire sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle retient en solution au moyen d'électricité galvanique" dans une revue scientifique française.

"C’est en pleine ans da,

Ns  la tourmente de son époque et de son lieu, qu’ il a réussi à faire cette grande découverte", a déclaré Ji. "Il fut le premier à comprendre le fonctionnement de l'électrolyte et décrivit ce qu'on appelle aujourd'hui le mécanisme de Grotthuss:  le transfert de proton par clivage coopératif et formation de liaisons hydrogène et de liaisons covalentes O-H dans le réseau de liaisons hydrogène de molécules d'eau."

Voici comment cela fonctionne: La charge électrique est provoquée lorsqu'un atome d'hydrogène pontant deux molécules d'eau "passe de l'un à l'autre", explique Wu.

"Un  coup de pied a coupé l'un des atomes d'hydrogène liés de manière covalente dans la deuxième molécule, déclenchant une chaîne de déplacements similaires à travers le réseau de liaisons hydrogène", a-t-il déclaré. "Le mouvement ressemble à un berceau de Newton: les déplacements locaux corrélés conduisent au transport de protons sur de longues distances, ce qui est très différent de la conduction ionique métal dans les électrolytes liquides, où les ions solvatés diffusent individuellement sur  de longues distances de manière véhiculaire."

Ji: "Les vibrations coopératives de la liaison hydrogène et des liaisons covalentes hydrogène-oxygène transfèrent pratiquement un proton d'un bout d'une chaîne de molécules d'eau à l'autre extrémité, sans transfert de masse dans la chaîne de l'eau."

La course aux relais moléculaires est l’essence d’un conduit de charge d’une efficacité fantastique, at-il déclaré. «Voilà  la beauté de ça", a déclaré Ji. "Si ce mécanisme est installé dans des électrodes de batterie, le proton n'a pas à se faufiler à travers des orifices étroits dans des structures cristallines. Si nous concevons des matériaux dans le but de faciliter ce type de conduction, ce conduit est tellement prêt - nous avons ce proton magique  sur une autoroute construite dans le cadre du treillis ".

Dans leur expérience, Ji, Wu et leurs collaborateurs ont révélé la puissance extrêmement élevée d'une électrode d'un analogue du bleu de Prusse, le bleu de Turnbull, connu de l'industrie des colorants. Le réseau unique d'eau en réseau contigu à l'intérieur du réseau de l'électrode témoigne de la "grandeur" promise par le mécanisme Grotthuss.

"Les scientifiques spécialisés dans l'informatique ont fait d'énormes progrès pour comprendre comment le saut de proton se produit réellement dans l'eau", a déclaré M. Ji. "Mais la théorie de Grotthuss n'a jamais été explorée pour exploiter le stockage d'énergie en détail, en particulier dans le cadre d'une réaction redox bien définie, qui visait à matérialiser l'impact de cette théorie."

Bien que très enthousiasmé par leurs découvertes, M. Ji avertit qu'il reste encore du travail à faire pour atteindre une charge et une décharge ultra rapides dans des batteries pratiques pour le transport ou le stockage d'énergie sur le réseau.

"Sans la technologie appropriée impliquant des recherches par des scientifiques en matériaux et des ingénieurs électriciens, tout cela reste purement théorique", a-t-il déclaré. «Pouvez-vous charger ou décharger une chimie de batterie en moins d’une seconde? Nous l’avons théoriquement démontré, mais pour le réaliser avec des appareils pour grand public, le processus d’ingénierie pourrait être très long. À l’heure actuelle, la communauté des batteries se concentre sur le lithium, le sodium et la autres ions métalliques, mais les protons sont probablement les porteurs de charge les plus intrigants

More information: Diffusion-free Grotthuss topochemistry for high-rate and long-life proton batteries, Nature Energy (2019). DOI: 10.1038/s41560-018-0309-7 , https://www.nature.com/articles/s41560-018-0309-7avec un potentiel inconnu à réaliser. " 

L’équipe collaborative, cependant, s’est intéressée - au seul proton de l’hydrogène - et a aussi regardé dans le temps, Theodor von Grotthuss, un chimiste lituanien né en Allemagne qui, en 1806, rédigea la théorie sur le transport de charge en électrolytes.

Von Grotthuss n'avait que 20 ans et vivait dans une région en proie à des bouleversements politiques lorsqu'il publia "Mémoire sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle retient en solution au moyen d'électricité galvanique" dans une revue scientifique française.

"C’est en pleine ans dans  la tourmente de son époque et de son lieu, qu’ il a réussi à faire cette grande découverte", a déclaré Ji. "Il fut le premier à comprendre le fonctionnement de l'électrolyte et décrivit ce qu'on appelle aujourd'hui le mécanisme de Grotthuss:  le transfert de proton par clivage coopératif et formation de liaisons hydrogène et de liaisons covalentes O-H dans le réseau de liaisons hydrogène de molécules d'eau."

Voici comment cela fonctionne: La charge électrique est provoquée lorsqu'un atome d'hydrogène pontant deux molécules d'eau "passe de l'un à l'autre", explique Wu.

"Un  coup de pied a coupé l'un des atomes d'hydrogène liés de manière covalente dans la deuxième molécule, déclenchant une chaîne de déplacements similaires à travers le réseau de liaisons hydrogène", a-t-il déclaré. "Le mouvement ressemble à un berceau de Newton: les déplacements locaux corrélés conduisent au transport de protons sur de longues distances, ce qui est très différent de la conduction ionique métal dans les électrolytes liquides, où les ions solvatés diffusent individuellement sur  de longues distances de manière véhiculaire."

Ji: "Les vibrations coopératives de la liaison hydrogène et des liaisons covalentes hydrogène-oxygène transfèrent pratiquement un proton d'un bout d'une chaîne de molécules d'eau à l'autre extrémité, sans transfert de masse dans la chaîne de l'eau."

La course aux relais moléculaires est l’essence d’un conduit de charge d’une efficacité fantastique, at-il déclaré. «Voilà  la beauté de ça", a déclaré Ji. "Si ce mécanisme est installé dans des électrodes de batterie, le proton n'a pas à se faufiler à travers des orifices étroits dans des structures cristallines. Si nous concevons des matériaux dans le but de faciliter ce type de conduction, ce conduit est tellement prêt - nous avons ce proton magique  sur une autoroute construite dans le cadre du treillis ".

Dans leur expérience, Ji, Wu et leurs collaborateurs ont révélé la puissance extrêmement élevée d'une électrode d'un analogue du bleu de Prusse, le bleu de Turnbull, connu de l'industrie des colorants. Le réseau unique d'eau en réseau contigu à l'intérieur du réseau de l'électrode témoigne de la "grandeur" promise par le mécanisme Grotthuss.

"Les scientifiques spécialisés dans l'informatique ont fait d'énormes progrès pour comprendre comment le saut de proton se produit réellement dans l'eau", a déclaré M. Ji. "Mais la théorie de Grotthuss n'a jamais été explorée pour exploiter le stockage d'énergie en détail, en particulier dans le cadre d'une réaction redox bien définie, qui visait à matérialiser l'impact de cette théorie."

Bien que très enthousiasmé par leurs découvertes, M. Ji avertit qu'il reste encore du travail à faire pour atteindre une charge et une décharge ultra rapides dans des batteries pratiques pour le transport ou le stockage d'énergie sur le réseau.

"Sans la technologie appropriée impliquant des recherches par des scientifiques en matériaux et des ingénieurs électriciens, tout cela reste purement théorique", a-t-il déclaré. «Pouvez-vous charger ou décharger une chimie de batterie en moins d’une seconde? Nous l’avons théoriquement démontré, mais pour le réaliser avec des appareils pour grand public, le processus d’ingénierie pourrait être très long. À l’heure actuelle, la communauté des batteries se concentre sur le lithium, le sodium et la autres ions métalliques, mais les protons sont probablement les porteurs de charge les plus intrigants avec un potentiel inconnu à réaliser. "

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MON COMMENTAIRE   Qu’un phénomène en cache un               autre   , en électrochimies   ne m’étonne pas ;….Ceci dit   tout reste a faire  , y compris  une R & D  orientée  très différemment vers l’optimisation du mode de transport  de Grotthuss…Par conséquent j y vois des travaux plutôt privés avec des brevets a prendre   ( ne jamais oublier la pompe à fric ! )

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Pour attraper une  ONDE ,  une fusée  est lancée depuis le bout du du monde

To catch a wave, rocket launches from top of world

January 28, 2019 by Miles Hatfield, NASA's Goddard Space Flight Center

 Pour attraper une onde ,  on lance une fusée depuis le bout  du monde

Magnétosphère terrestre montrant les cuspides polaires nord et sud (illustration). Crédit: Centre spatial Andøya / Trond Abrahamsen

Earth's magnetosphere, showing the northern and southern polar cusps (illustration). Credit: Andøya Space Center/Trond Abrahamsen

Read more at: https://phys.org/news/2019-01-rocket-world.html#jCp

Le 4 janvier 2019, à 4 h 37 HNE, la mission CAPER-2 a été lancée du Centre spatial Andøya à Andenes, en Norvège, sur une fusée à sondes Black Brant XII à 4 étages. Atteignant un apogée de 480 km de haut avant de plonger dans la mer Arctique, la fusée a traversé des aurores boréales actives pour étudier les vagues qui accélèrent la pénétration des électrons dans notre atmosphère.

CAPER-2, abréviation de Cusp Alfvén et de Plasma Electrodynamics Rocket-2, est une mission de sonde spatiale, un type de vaisseau spatial qui transporte des  instruments scientifiques lors de courts voyages ciblés dans l'espace avant de retomber sur Terre. Poutreleurs prix relativement bas et  leur temps de développement rapide, les fusées-sondes sont idéales pour se lancer dans des événements transitoires, tels que la formation soudaine d'aurores boréales.

Pour les scientifiques de CAPER-2, le survol d’une aurore donne un aperçu d’un processus aussi fondamental que complexe: comment les particules sont-elles accélérées dans l’espace? La NASA étudie ce phénomène dans le but de mieux comprendre l'environnement spatial entourant la Terre - et  protéger ainsi notre technologie spatiale contre les radiations - mais également pour aider à comprendre la nature même des étoiles et des atmosphères dans l'ensemble du système solaire et au-delà.

"Dans tout l'univers, vous avez des particules chargées  s'accélérant - dans l'atmosphère du Soleil, dans le vent solaire, dans l'atmosphère d'autres planètes et dans des objets astrophysiques", a déclaré Jim LaBelle, physicien spatial au Dartmouth College de Hanover (New Hampshire). investigateur principal pour la mission CAPER-2. "Une aurore nous présente un laboratoire local où nous pouvons observer ces processus d'accélération à portée de main."

Techniquement, l'équipe CAPER-2 s'intéresse à ce qui se passe juste avant qu'une aurore ne commence à briller. Les électrons, déversés dans notre atmosphère depuis l'espace, entrent en collision avec les gaz atmosphériques et provoquent la lueur de l'aurore. D'une certaine manière, ils prennent de la vitesse en cours de route.

"Au moment où ils pénètrent dans notre atmosphère, ces électrons voyagent 10 fois plus vite qu'auparavant", a déclaré Doug Rowland, physicien spatial au centre Goddard Space Flight de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, qui étudie également l'accélération des particules. "Nous ne comprenons toujours pas la physique fondamentale de la façon dont cela se produit."

L’équipe CAPER-2 s’est concentrée sur un type particulier d’aurores qui se forment pendant la journée. Contrairement aux aurores nocturnes, les aurores diurnes sont déclenchées par des électrons arrivant directement du soleil - et nous en savons beaucoup moins à leur sujet.

L'aurore diurne observée depuis une caméra tout ciel à Longyearbyen, Svalbard. Crédit: Observatoire Kjell Henriksen / UNIS / F. Sigernes

"De nombreuses recherches ont été effectuées sur les aurores nocturnes régulières, mais les aurores diurnes sont beaucoup moins étudiées", a déclaré Craig Kletzing, physicien spatial à l'université d'Iowa à Iowa City et enquêteur spécialisé dans la mission. "Il y a de bonnes indications pour qu'il y ait des similitudes et des différences."

L'équipe se concentre sur la manière dont les électrons qui créent les aurores diurnes sont bousculés par des ondes, d'une manière qui peut ou non différer des aurores nocturnes. Deux types d’ondes présentent un intérêt particulier et ont des effets opposés. Les ondes Alfvén, nommées en l'honneur du lauréat suédois du prix Nobel Hannes Alfvén qui avait prédit leur existence en 1942, sont supposées accélérer les électrons. Ces ondes énormes - mesurant des dizaines à des centaines de kilomètres de long d'un pic à l'autre - se propagent le long des lignes de champ magnétique de la Terre, en  produisant des électrons.

De l'autre côté se trouvent les ondes de Langmuir, générées par les électrons eux-mêmes - un processus qui vole une partie de l'énergie des électrons et les ralentit. CAPER-2 sera équipé d'un corrélateur haute résolution onde-particule pour la mesure, la première mission d'une fusée sondant dans les aurores du jour.

Lancement de CAPER-2 depuis le centre spatial Andøya. Crédit: NASA / Chris Perry

"Cela nécessite beaucoup de données", a déclaré LaBelle. "Le fait que les fusées enregistrent  est unique pour pouvoir examiner ce mécanisme avec autant de détails."

Pour le lancement, l’équipe CAPER-2 s’est rendue dans le nord de la Norvège, l’un des rares endroits pouvant placer une fusée à portée de l’aurore de jour. Chaque jour, le nord de la Norvège tourne sous une ouverture dans le champ magnétique terrestre appelé  cuspide polaire septentrionale, où les particules provenant du Soleil peuvent pénétrer dans la haute atmosphère.

Rencontrer les aurores là  où elles se forment est la meilleure façon de comprendre les processus physiques qui sont beaucoup trop volumineux pour être reproduits en laboratoire.

"C'est une sorte de laboratoire naturel", a ajouté LaBelle. "

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MES COMMENTAIRES

J’ignorais qu’ il était possible d’apercevoir une aurore boréale en plein jour ! Et  en fait cela n’est rendu possible que par le moyen de la fusée qui nous débarrasse des   basses couches denses de l’atmosphère

 Je signale a mes lecteurs que ces phénomènes sont parfois tellement importants que la   barrière de van ALFVEN    se fait littéralement « transpercer » et que   les communications radio  se voyaient interrompues puisque ces ondes voyagent par le biais de la haute atmosphère   Maintenant nos nuages de satellites   nous permettent de remédier à cela !