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Les peignes de fréquence infrarouges détectent les fuites de
gaz
04 avr. 2018
Peigne de fréquence laser
Deux nouvelles technologies utilisant des peignes à
fréquence laser pour détecter les fuites de gaz naturel ont été dévoilées par
des équipes indépendantes de chercheurs à Boulder, Colorado, États-Unis.
Les fuites de gaz constituent un problème important pour l'industrie
de l'énergie. Outre coûter de l'argent, les fuites constituent de sérieuses
menaces pour la sécurité, la santé publique et la qualité de l'air. Le méthane
- le composant principal du gaz naturel - est également un puissant gaz à effet
de serre.
Nima Nader et ses
collègues de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) à
Boulder ont créé un nouveau laser sur puce qui peut être utilisé pour détecter
les fuites de gaz. Pendant ce temps, à l'Université du Colorado Boulder,
Gregory Rieker et ses collègues ont créé un système de spectroscopie infrarouge
capable de détecter de petites quantités de méthane à des distances
kilométriques.
Bien qu'il existe plusieurs techniques disponibles pour
surveiller les installations pour les fuites de gaz, tous ont des lacunes. Une
méthode consiste à utiliser des caméras spécialisées qui sont sensibles au
méthane à courte distance. Cependant, ce processus de surveillance demande
beaucoup de travail et ne donne pas une image complète des fuites sur de
grandes surfaces. Alternativement, les images provenant d'aéronefs ou de
satellites peuvent révéler de multiples grandes fuites sur des échelles de
distance de kilomètres - mais montrent peu de détails sur de fuites plus petites. Un autre problème
avec les images aériennes et satellites est qu'elles fournissent des
instantanés dans le temps, plutôt qu'une surveillance continue.
Nader et ses collègues du NIST ont mis au point une nouvelle
source de lumière laser à infrarouge moyen qui pourrait faire partie d'un
système pratique de détection de fuites de gaz. La lumière infrarouge moyenne
est absorbée par de nombreuses molécules organiques dont le méthane et
l'analyse des spectres d'absorption de l'air que la lumière a traversée révèle
la présence de ces molécules. Cependant, la spectroscopie dans l'infrarouge
moyen souffre actuellement d'une pénurie de sources de lumière à large bande,
de niveaux élevés de bruit et de besoins élevés en énergie.
Pour remédier à ces problèmes, l'équipe de Nader a créé les
premiers «peignes à double fréquence» dans l'infrarouge moyen sur une puce.
Pour créer les lasers, les chercheurs ont soigneusement étudié la géométrie et
la composition chimique d'un guide d'onde en silicium sur saphir qui s'adapte
sur une puce de seulement 1 cm².
Les peignes à double fréquence sont des sources laser de
faible puissance qui génèrent deux faisceaux cohérents. Chaque "dent"
du laser est un étroit pic de lumière à une fréquence spécifique et les dents
sont réparties sur une large gamme de fréquences, avec peu de bruit. La nature
spectrale de la lumière peut être réglée de sorte que le système puisse être
utilisé pour étudier différentes molécules.
«La source laser permet la propagation de la lumière sur de
longues distances, de sorte que les échantillons chimiques peuvent être étudiés
à distance, sans contact direct», explique Nader. "Comme les peignes de
fréquence sont des sources laser stabilisées, ils peuvent détecter de très
faibles niveaux de produits chimiques et améliorer la sensibilité de nos
mesures."
Ailleurs à Boulder, l'équipe de l'Université du Colorado est
la première à déployer sur le terrain un spectromètre laser en peigne double
fréquence à infrarouge moyen. Leur plan ultime est de créer un système de
surveillance dans lequel de nombreuses sources laser sont stratégiquement
disposées sur un site de production de gaz, toutes orientées vers un
spectromètre à infrarouge moyen au centre de l'installation. Lorsqu'ils sont
couplés à des modèles atmosphériques, les absorptions dans les spectres en
peigne à double fréquence résultant de la fuite de gaz traversant les trajets
du faisceau fourniraient une mesure sensible des concentrations de gaz dans le
temps. De plus, la nature distribuée du système pourrait indiquer l'emplacement
d'une fuite.
L'équipe a effectué des tests préliminaires de son système
de détection, ce qui, selon le chercheur, présente des avantages significatifs
par rapport aux méthodes existantes de surveillance des sites de production de
gaz. Rieker explique: "Notre approche permet aux mesures d'être autonomes,
ce qui permet une surveillance continue d'une zone". Fait important, le
système est sensible aux faibles changements dans les concentrations de méthane
et de vapeur d'eau. "Le changement dans la concentration de méthane sous
le vent d'une petite fuite est à peu près le même que le changement de méthane
en raison de la dilution par la vapeur d'eau qui se produit quand une tempête
de pluie commence", explique Rieker. «La spectroscopie en peigne à
fréquence laser nous permet de mesurer simultanément et précisément la vapeur
d'eau et le méthane. Cela nous permet de corriger l'eau dans l'air, ce qui est
essentiel pour détecter de très petites augmentations de méthane sur une grande
surface. "
Les chercheurs de l'Université du Colorado ont effectué deux
tests sur le terrain avec leur configuration. Le premier exercice a simulé une
petite fuite de méthane variable dans le temps, située à plus d'un kilomètre
d'une source laser. Le système a détecté la fuite, qui a libéré 1,6 à 8 g de
méthane par minute. Ce taux de libération est comparable à la vitesse à
laquelle un humain expire en respirant normalement. Dans le deuxième test, un
réseau a été mis en place pour
surveiller un champ de production de gaz avec cinq postes de fuite . Encore une
fois, l'installation a mesuré avec précision deux fuites simulées
simultanément, tout en localisant avec précision leurs emplacements. Après le
succès de leur démonstration, l'équipe espère que leur système sera bientôt
disponible sur le marché. L'étude de l'Université du Colorado est décrite dans
Optica et la recherche NIST est décrite dans APL Photonics.
Sam Jarman est un
écrivain scientifique basé au Royaume-Uni
MON COMMENTAIRE / Il est primordial pour une exploration
géologique ou d’exploitation et
extraction de gaz de schistes de
déterminer la variation de porosité et
de perméabilité des terrains au gaz …Bien
que les méthodes brutales d’hydro –fracturation
soient en cours d’amélioration , le
dégagement de méthane n’est que l’un des soucis engendrés par cette technique !!
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Les nanofils stimulent la fusion nucléaire
06 avril 2018 Hamish Johnston
Des sources de neutrons plus petites et moins coûteuses et
de nouvelles possibilités de simulation des conditions extrêmes régnant au centre des étoiles sont parmi les
avantages possibles de nouvelles recherches menées par des physiciens aux
États-Unis et en Allemagne. Le groupe a dirigé des impulsions rapides de
lumière bleue intense à partir d'un laser compact sur des réseaux de
nanostructures pour générer un plasma dense donnant un grand nombre de neutrons
créés par la fusion nucléaire
Les scientifiques ont construit des lasers de plus en plus
énergétiques dans leur quête pour démontrer la faisabilité de la fusion
nucléaire en tant que source d'énergie. Le National Ignition Facility (NIF) en
Californie, par exemple, génère des impulsions avec une énergie énorme de 1,8
MJ, afin de comprimer de minuscules boulettes de deutérium et de tritium au
point où les noyaux fusionnent et émettent un nombre important de neutrons. Le
but est d'atteindre l'allumage, lorsque la particule alpha libérée par les
noyaux de fusion commence à fournir la chaleur nécessaire à une réaction
auto-entretenue - l'énergie des neutrons émis étant finalement exploitée pour
produire de l'électricité. Cependant, le NIF est énorme - occupant la surface
de trois terrains de football - et, comme d'autres lasers à haute énergie,il ne peut tirer qu'une poignée de fois par jour.
Certains chercheurs travaillent plutôt sur des lasers moins
énergiques mais plus rapides. Ceux-ci ne seront jamais proches de l'allumage,
mais peuvent atteindre des intensités exceptionnellement élevées - grâce à la
brièveté extrême et donc à la puissance de leurs impulsions. De tels lasers
peuvent créer des plasmas avec des densités d'énergie très élevées idéales pour
étudier des environnements astrophysiques extrêmes, par exemple. Ces
dispositifs pourraient aussi potentiellement être utilisés comme sources
compactes de neutrons, qui sondent la structure atomique d'une manière
impossible avec les rayons X. Les neutrons sont généralement produits dans de
grands accélérateurs ou réacteurs et une source compacte serait bien accueillie
par les scientifiques.
Dans leur dernier
travail, Jorge Rocca de la Colorado State University aux États-Unis et ses
collègues ont utilisé un laser titane-saphir pour générer des impulsions d'une
durée de seulement 60 fs avec jusqu'à 1,65 J d'énergie. Capables d'être tirés trois fois par seconde sur des réseaux de
nanofils de polyéthylène deutériés d'environ 5 μm de long et de 0,2 μm ou 0,4
μm de diamètre, les impulsions dépouillent les électrons de la surface des
nanofils. Les électrons sont ensuite accélérés à de très hautes énergies dans
le vide entre les fils, provoquant le réchauffement rapide des fils et
l'explosion. Le plasma qui en résulte accélère les deutons jusqu'à des énergies
allant jusqu'à plusieurs mégaélectronvolts, provoquant la fusion des deutons et
la génération rapide de neutrons.
Les chercheurs ont utilisé des réseaux de nanofils afin
d'exciter autant de deutérons que possible. Comme l'explique Rocca, les
impulsions laser pénètrent facilement l'espace entre les nanofils et chauffent
donc un volume de matériau beaucoup plus important que s'ils frappaient une
surface plane et solide (qu'ils pénétreraient à peine avec la même intensité
lumineuse). Selon lui, il était également crucial de doubler la fréquence de la
sortie infrarouge du laser titane-saphir pour créer des impulsions bleues. Cela
a permis à l'équipe de filtrer des pré-impulsions moins intenses qui
détruiraient autrement les nano fils avant l'impulsion principale.
En réalisant leur expérience de cette manière, Rocca et ses
collègues ont découvert qu'ils pouvaient produire des neutrons plus
efficacement que jamais auparavant en utilisant des impulsions laser autour du
niveau 1: J - générant jusqu'à 2 millions de neutrons de fusion par joule.
Cette efficacité, ont-ils montré, était environ 500 fois plus élevée que ce qui
pouvait être obtenu en tirant les impulsions laser sur des cibles planes fabriquées
à partir du même matériau sous forme solide (qui est un peu plus de cinq fois
plus dense que les réseaux).
«Nous sommes capables de produire de la fusion à l'échelle
microscopique et de produire très efficacement un grand nombre de neutrons»,
explique Rocca. "Vous avez un flash de neutrons qui sortent
Alors que les rendements obtenus étaient plus élevés que
ceux obtenus avec des lasers de taille similaire, ils étaient néanmoins
inférieurs à ceux obtenus au NIF - qui ont récemment donné environ 8 × 10^15
neutrons par impulsion, soit environ 4 milliards de neutrons par joule.
Cependant, Rocca et ses collègues ont constaté que le rendement en neutrons de
leur expérience augmentait en augmentant l'énergie de leurs impulsions, en
ligne avec les prédictions qu'ils avaient faites en utilisant des simulations
informatiques.
Le groupe travaille maintenant à augmenter encore l'énergie
d'impulsion afin d'augmenter suffisamment le rendement pour faire de la
radiographie neutronique. En attendant, Rocca dit que l'équipe a été approchée
par d'autres groupes intéressés à utiliser leur technique pour calibrer la detection de neutrinos
MON COMMENTAIRE/ Bon travail et j’aimerais bien qu’ il soit aussi dirigé
vers la neutronographie pour l’étude des défauts des pièces métallurgiques épaisses , en inspection industrielle avant usage ( installation d’ORPHEE à SACLAY)
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Pourquoi les colonies de pingouins ressemblent à des
liquides
05 avr 2018 Hamish Johnston
La répartition des sites occupés par des couples nicheurs de
manchots royaux ressemble à celle de molécules dans un liquide qui a été
refroidi soudainement pour former une structure vitreuse. C'est la conclusion
d'une équipe internationale de physiciens qui a analysé les colonies de
manchots en utilisant un modèle simple développé il y a près d'un siècle pour
expliquer les interactions entre les atomes et les molécules.
Les chercheurs croient que les manchots royaux adoptent la
structure vitreuse parce qu'elle peut «se guérir» à la suite de perturbations
externes telles que celles des phoques errants errant dans une colonie.
Les manchots royaux se reproduisent sur des îles de l'océan
Austral, où ils se rassemblent en été pour former des colonies de nidification
d'un million d'oiseaux. Cependant, contrairement à d'autres pingouins, ces
oiseaux ne construisent pas de nids. Au lieu de cela, une paire de
reproducteurs va incuber leur œuf dans un endroit sur le sol, qu'ils protègent
contre d'autres pingouins. Les sites de reproduction individuels sont
régulièrement espacés et la structure globale de la colonie reste très stable
pendant les deux mois nécessaires à l'incubation des œufs.
Quand une femelle pingouin pond un œuf, les parents incubent
à tour de rôle en portant l'œuf sur leurs pattes. L'autre parent, qui est
souvent à l'affût, doit traverser l'immense colonie sans trop s'approcher
d'autres sites de reproduction - où les manchots résidents s'en débarrasseraient
agressivement. Malgré la nature dynamique de la colonie, le décalage moyen de
la position du site de reproduction d'une paire sur deux mois est de seulement
1,3 m, ce qui correspond à peu près à la séparation entre les sites voisins.
, Richard Gerum et ses collègues de l'Université
d'Erlangen-Nürnberg en Allemagne - ainsi que des chercheurs français, monégasques
et américains - ont utilisé des photographies aériennes de colonies d'élevage
pour cartographier les emplacements de plusieurs milliers de couples
reproducteurs. Leur analyse des données suggère que la structure des sites de
reproduction peut être décrite comme un liquide 2D de particules qui
interagissent via un potentiel de Lennard-Jones.
D'abord proposé en 1924 par le physicien britannique John
Lennard-Jones, le potentiel combine une force d'attraction à longue distance
entre deux particules avec une force répulsive qui travaille sur une gamme
beaucoup plus courte. La compétition entre ces deux forces permet au potentiel
de Lennard-Jones de modéliser comment les atomes ou les molécules peuvent
s'attirer pour former un liquide, tout en maintenant les séparations atomiques
ou moléculaires observées dans les substances réelles.
L'équipe a utilisé l'attraction à long terme pour modéliser
la tendance des manchots à former une colonie de reproduction dense. Les
oiseaux font cela parce qu'un grand nombre fournit une protection contre les
prédateurs et aussi parce qu'il y a une quantité limitée de terres propices à
la reproduction sur leurs foyers de
l'île. La répulsion à courte portée est utilisée pour modéliser le «rayon de
picage» - ou à quel point une paire reproductrice va permettre à un autre
pingouin d'approcher son œuf avant qu'il n'attaque.
Une analyse du modèle a révélé que la structure de la
colonie de reproduction ressemble à celle d'un liquide qui a été «trempé» pour
créer un verre solide. C'est cet état vitreux qui dure pendant des semaines
sans aucun changement significatif. Les chercheurs croient que le processus de
création de l'état vitreux commence avec les premiers pingouins arrivant au
lieu de reproduction pour créer une structure gazeuse diffuse. Lorsque plus de
paires arrivent, la densité augmente et la colonie se "refroidit" et
se condense en un liquide. Ensuite, le passage à un état vitreux est entraîné
par le mouvement réduit des pingouins et une défense territoriale accrue à
mesure que la séparation du site approche du rayon de picage.
L'équipe croit que la colonie ne se condensera pas davantage
pour créer un solide cristallin, car bien que cela entraînerait une légère
augmentation de la densité, la nature rigide d'un treillis rendrait très
difficile la guérison de la structure de la colonie après une perturbation
locale
"Nos données confirment que la structure de la colonie
observée offre une flexibilité suffisante pour s'adapter aux changements
internes et externes", explique Gerum. "Par exemple, une paire
perdant ou abandonnant son œuf laisse une place vacante, mais nous ne voyons
jamais de points vacants dans nos images aériennes. Nous voyons aussi fréquemment
des phoques qui traversent la colonie et forcent les pingouins à se déplacer,
mais ces perturbations locales semblent être rapidement guéries.
La recherche est décrite dans Journal of Physics D: Physique
appliquée.
Hamish Johnston est l'éditeur de physique générale de
Physics World
MON COMMENTAIRE / L’équation du
potentiel 6-12 de LENNARD JONES a été
créé pour décrire la configuration des monocouches d’adsorption des gaz sur les
solides …Et répond en effet à l’optimalisation d’une structure superficielle de type vitreuse …Mes lecteurs
en déduiront que les pingouins royaux sont des
génies inconscients da la physique 2D
!!!!!
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Le dernier article de Stephen Hawking prédit une sortie en
douceur de l'inflation éternelle
20 mars 2018 Hamish Johnston
Sur quoi travaillait Stephen Hawking juste avant sa mort la
semaine dernière?
Je suis sûr qu'il avait plusieurs fers à repasser au feu, mais il venait de mettre la touche finale
à un article sur l'inflation et le multivers - qu'il a co-écrit avec Thomas
Hertog de l'Université de Louvain en Belgique.
"Une sortie en douceur de l'inflation éternelle?"
A été téléchargée sur le serveur préprint d'arXiv en juillet 2017 et a été mise
à jour le 4 mars, juste 10 jours avant la mort de Hawking. Selon les rapports
de plusieurs médias, le document a été soumis à une revue pour examen par les
pairs.
L'article présente des calculs préliminaires qui combinent
la physique quantique et classique. La recherche explore si un «multivers de
type fractal infini» a été créé par l'inflation cosmique qui a eu lieu juste
après le Big Bang. Hawking et les calculs de Hertog semblent dire que non.
Hamish Johnston est l'éditeur de physique générale de
A suivre
