Des physiciens de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) ont pris des photos spectaculaires qui permettent de visualiser et de suivre en temps réel le processus d'allumage du plasma sous l'eau. Le Dr Katharina Grosse a fourni les premiers ensembles de données à ultra-haute résolution temporelle, soutenant une nouvelle hypothèse sur l'inflammation de ces plasmas :dans la gamme nanoseconde, il n'y a pas assez de temps pour former un environnement gazeux. Les électrons générés par les effets de champ conduisent à la propagation du plasma. Le plasma nanoseconde s'enflamme directement dans le liquide, quelle que soit la polarité de la tension. Le rapport du Collaborative Research Center 1316 "Transient Atmospheric Pressure Plasmas:from Plasma to Liquids to Solids" a été publié dans le Journal de physique appliquée et Rubin, le magazine scientifique de la RUB.

Rendre visible le développement du plasma

Afin d'analyser comment le plasma s'enflamme sur de courtes périodes et comment cet allumage fonctionne dans le liquide, Le physicien Grosse applique une haute tension pendant dix nanosecondes à une électrode fine comme un cheveu immergée dans l'eau. Le fort champ électrique ainsi généré provoque l'inflammation du plasma. En utilisant la spectroscopie optique à grande vitesse en combinaison avec la modélisation de la dynamique des fluides, le chercheur basé à Bochum est capable de prédire la puissance, pression et température dans ces plasmas sous-marins. Elle élucide ainsi le processus d'allumage et le développement du plasma dans la gamme nanoseconde

D'après ses observations, les conditions dans l'eau sont extrêmes au moment de l'inflammation. Pendant une courte période, des pressions de plusieurs milliers de bars sont créées, qui est équivalente ou même supérieure à la pression au point le plus profond de l'océan Pacifique, ainsi que des températures de plusieurs milliers de degrés similaires à la température de surface du soleil.

Effets tunnel sous l'eau

Les mesures remettent en cause la théorie dominante. Jusque là, il a été supposé qu'une différence de pression négative élevée se forme à la pointe de l'électrode, ce qui conduit à la formation de très petites fissures dans le liquide avec des dilatations de l'ordre du nanomètre, dans lequel le plasma peut alors se propager. "On a supposé qu'une avalanche d'électrons se forme dans les fissures sous l'eau, rendant possible l'allumage du plasma, " dit Achim von Keudell, qui est titulaire de la Chaire de physique expérimentale II. Cependant, les images prises par l'équipe de recherche basée à Bochum suggèrent que le plasma est "enflammé localement dans le liquide, " explique Grosse.

Dans sa tentative d'expliquer ce phénomène, le physicien utilise l'effet tunnel de la mécanique quantique. Cela décrit le fait que les particules sont capables de franchir une barrière énergétique qu'elles ne devraient pas pouvoir franchir selon les lois de la physique conventionnelle, parce qu'ils n'ont pas assez d'énergie pour le faire. "Si vous regardez les enregistrements de l'allumage du plasma, tout indique que les électrons individuels traversent la barrière énergétique des molécules d'eau jusqu'à l'électrode, où ils enflamment le plasma localement, précisément là où le champ électrique est le plus élevé, " dit Grosse. Cette théorie a beaucoup d'atouts et fait l'objet de nombreuses discussions parmi les experts.

L'eau est divisée en ses composants

Le processus d'allumage sous l'eau est aussi fascinant que les résultats de la réaction chimique sont prometteurs pour des applications pratiques. Les spectres d'émission montrent que, à des impulsions nanosecondes, les molécules d'eau n'ont plus la possibilité de compenser la pression du plasma. L'inflammation du plasma les décompose en leurs composants, à savoir l'hydrogène atomique et l'oxygène. Ce dernier réagit facilement avec les surfaces. Et c'est précisément là que réside le grand potentiel, explique le physicien Grosse :« L'oxygène libéré peut potentiellement réoxyder les surfaces catalytiques dans les cellules électrochimiques afin qu'elles se régénèrent et développent à nouveau pleinement leur activité catalytique.