24.05.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Des turbulences surprenantes : L'équipe du HZDR découvre un comportement d'écoulement inattendu dans les métaux liquides.

Implications pour la technologie des batteries

Certains métaux se présentent sous forme liquide, le principal exemple étant le mercure. Mais il existe aussi d'énormes quantités de métal liquide dans le noyau terrestre, où les températures sont si élevées qu'une partie du fer est fondue et subit des écoulements complexes. Une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a maintenant simulé un processus similaire en laboratoire et a fait une découverte surprenante : Dans certaines circonstances, l'écoulement du métal liquide est beaucoup plus turbulent que prévu - et cela a un impact significatif sur le transport de la chaleur, présente le groupe dans la revue Physical Review Letters. Les rédacteurs ont trouvé cette nouvelle découverte si remarquable qu'ils ont mis l'article en exergue sous la rubrique "Suggestion de la rédaction".

Les températures à l'intérieur de la Terre sont si élevées qu'une partie de son noyau de fer est liquide. Ce fer liquide est en mouvement constant, il tourne et circule en permanence. Il agit comme une dynamo, à l'origine du champ magnétique de notre planète. L'une des forces motrices de ce comportement d'écoulement complexe du fer est la rotation de la Terre, une autre est ce que l'on appelle la "convection", alimentée par les différences de température : De la même manière que l'air chaud s'élève au-dessus d'un radiateur, où il déplace l'air plus froid, le fer relativement chaud du noyau terrestre s'écoule vers les zones plus froides, entraînant un transfert de chaleur. Cependant, on sait encore peu de choses sur la manière dont ces processus se déroulent en détail. Pour mieux les comprendre, les experts doivent s'appuyer sur des calculs théoriques et des simulations informatiques, ainsi que sur des expériences qui simulent ce qui se passe - du moins dans une certaine mesure - à l'échelle du laboratoire.

Une telle expérience a été menée récemment à l'Institut de dynamique des fluides du HZDR. "Nous avons pris deux récipients cylindriques, l'un relativement petit, de la taille d'un seau, et l'autre en forme de baril, d'un volume de 60 litres", explique le Dr Tobias Vogt, chef de projet. "Nous avons rempli ces récipients d'un alliage métallique d'indium, de gallium et d'étain, qui est liquide à température ambiante." Les experts ont chauffé le fond des récipients tout en refroidissant le dessus, créant ainsi une différence de température allant jusqu'à 50 degrés Celsius entre les couches supérieure et inférieure.

Les ultrasons offrent une vue en profondeur

Cette différence de température substantielle a fait bouillonner le métal liquide à l'intérieur des récipients : Sous l'effet de la convection, les zones d'écoulement localement plus chaudes, comme les colonnes, se sont élevées et se sont mélangées aux parties plus froides - un peu comme une lampe à lave. Toutefois, l'alliage métallique utilisé par l'équipe étant opaque, elle a dû recourir à une technique d'analyse spéciale : "Il s'agit d'une méthode à ultrasons utilisée en médecine", explique le Dr Sven Eckert, chef du département Magnétohydrodynamique au HZDR. "Nous avons installé une vingtaine de capteurs à ultrasons sur les vaisseaux, ce qui nous a permis de détecter comment le métal liquide s'écoule à l'intérieur."

En analysant les données, le groupe de recherche a fait une découverte surprenante. Au cours des expériences, les experts s'attendaient à constater le regroupement de zones d'écoulement individuelles pour former une structure plus grande et plus étendue, appelée circulation à grande échelle. "Cela est comparable à un vent thermique, qui est capable de transporter très efficacement la chaleur entre le haut et le bas", a rapporté Vogt. "Nous avons effectivement pu observer ce vent thermique dans le plus petit vaisseau - mais avec le plus grand vaisseau, le tonneau, les grandes différences de température ont conduit à une rupture presque complète du vent." Cela signifie que la chaleur n'a pas été transportée aussi efficacement que prévu. "Nous pensons que la cause de ce phénomène est la formation de turbulences à beaucoup plus petite échelle plutôt que quelques grands tourbillons, ce qui rend le transport de la chaleur moins efficace", a déclaré Vogt.

Implications pour la technologie des batteries

Ces nouvelles découvertes pourraient avoir des implications sur ce qui se passe dans le noyau de la Terre : "Pour comprendre ce qui se passe, les experts tentent d'extrapoler les résultats des expériences de laboratoire à l'échelle de la Terre", a expliqué Sven Eckert. "Mais nous venons de montrer que le transport de la chaleur est moins efficace dans certaines conditions que ce que les expériences précédentes avaient suggéré." Cela signifie que les prédictions pour la Terre produiront probablement aussi des valeurs différentes. "Cependant, les processus réels dans le noyau de la Terre sont beaucoup plus complexes que dans nos expériences de laboratoire", a ajouté Tobias Vogt. "Par exemple, l'écoulement du fer liquide est également influencé par le champ magnétique et la rotation de la Terre - en définitive, nous ne savons que très peu de choses sur ces processus d'écoulement."

En fait, les nouvelles découvertes pourraient également s'avérer pertinentes pour la technologie, en particulier dans les domaines impliquant des métaux liquides. Par exemple, les métaux liquides sont utilisés dans certains types de batteries, ainsi que dans les futures centrales solaires et pour le refroidissement des réacteurs de fusion. Pour pouvoir examiner de plus près le transport de chaleur dans les métaux liquides, l'équipe du HZDR travaille actuellement sur une technique analytique avancée. "Des capteurs à induction spéciaux devraient permettre d'enregistrer les flux de manière encore plus détaillée qu'auparavant et de produire de véritables images en 3D", a remarqué Sven Eckert. "Nos premières mesures sont très prometteuses".

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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