La thermodynamique donne un aperçu de l'énergie interne d'un système et de l'interaction énergétique avec son environnement. Cela dépend de l'équilibre thermique local d'un système. L'application de la thermodynamique classique aux systèmes en déséquilibre est un défi. Il s'agit notamment du gaz et des matériaux granulaires, emballage de sphères dures en 3-D, et les systèmes plasma.

L'expansion d'un gaz sans charge électrique a généralement été étudiée en utilisant la thermodynamique traditionnelle. Des expériences avec des gaz simples peuvent être facilement réalisées en laboratoire, tandis que celles impliquant des plasmas gazeux d'intérêt astrophysique et solaire posent un certain nombre de difficultés. Les observations près du soleil et en orbite terrestre ont été interprétées comme une démonstration que le vent solaire ne s'étend pas adiabatiquement à partir du soleil, comme on pouvait s'y attendre pour cet environnement quasi sans collision. Plutôt, il se dilate isotherme, ce qui implique que le chauffage du plasma se produit lorsqu'il se propage dans l'espace interplanétaire.

De nombreuses expériences en laboratoire dans des conditions adiabatiques ont également montré une expansion presque isotherme dans les tuyères magnétiques et la relation avec les plasmas astrophysiques. Cependant, dans ces systèmes adiabatiques en expansion, il apparaît que les champs électriques peuvent avoir un effet significatif sur la dynamique des électrons, et un très fort champ électrique piégeant les électrons se forme généralement à la limite de la paroi du plasma dans les plasmas de laboratoire. Alors, que se passerait-il s'il n'y avait pas de champs électriques piégeant les électrons ?

Des chercheurs de l'Université de Tohoku et de l'Université nationale australienne ont étudié l'état énergétique du plasma lorsqu'il interagit avec les champs magnétiques et électriques [Fig1]. L'étude a des implications pour la compréhension des propulseurs à plasma à tuyère magnétique utilisés pour propulser les engins spatiaux, puisque la conversion d'énergie est le processus essentiel pour déterminer les performances du propulseur.

Dans un laboratoire de l'université du Tohoku, chercheurs Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell et Akira Ando ont réalisé une expérience spécialement conçue dans laquelle ils ont retiré les électrons piégeant le champ électrique dans le système, ce qui fait que les électrons interagissent uniquement avec le champ magnétique en expansion. Les résultats expérimentaux montrent la diminution de la température électronique le long de l'expansion, suite à une expansion adiabatique presque parfaite d'un gaz d'électrons lors de l'élimination des champs électriques du système.

En gardant à l'esprit la première loi de la thermodynamique, il n'y a actuellement aucun transfert de chaleur, mais des travaux doivent être effectués sur les parois entourant le système pour abaisser son énergie interne. Le champ magnétique en expansion n'est pas une frontière physique, donc aucune chaleur n'est transférée. Lorsque les champs électriques dans le plasma sont supprimés, aucun des électrons n'est piégé dans le système plasma, laissant les électrons libres d'interagir avec la paroi magnétique de confinement - la force de pression du plasma fonctionne sur la frontière magnétique. Cette force de pression peut également être comprise comme une force de Lorentz générée pour propulser un engin spatial dans un propulseur plasma à tuyère magnétique.

D'où, la diminution de la température des électrons le long de l'expansion résulte de l'abaissement de l'énergie interne de ce système adiabatique avec le gaz d'électrons agissant sur le champ magnétique en expansion. Cela implique que les principes thermodynamiques classiques peuvent être étendus à l'expansion d'un gaz d'électrons sans collision, étant loin de l'équilibre, dans une buse magnétique.

En supprimant la limite plasma-paroi dans leur plasma de laboratoire et en supprimant ainsi le champ électrique correspondant et le piégeage des électrons, les chercheurs ont reproduit les conditions sans frontières dans l'espace. Les résultats donnent un nouvel aperçu de la thermodynamique du plasma et de la technologie applicable à la physique spatiale et au développement de la propulsion plasma. D'autres expériences détaillées sont prévues. Le document a été publié en Lettres d'examen physique .