Certains métaux sont sous forme liquide, le principal exemple étant le mercure. Mais il y a aussi d'énormes quantités de métal liquide dans le noyau terrestre, où les températures sont si élevées qu'une partie du fer est en fusion 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, le flux de métal liquide est beaucoup plus turbulent que prévu, et cela a un impact significatif sur le transport de chaleur. La recherche est publiée dans Physical Review Letters .

Les températures profondes 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, brassant et circulant continuellement. Il agit comme une dynamo, provoquant la génération 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", entraînée par les différences de température :similaire à la façon dont l'air chaud s'élève au-dessus d'un radiateur, où il déplace l'air plus frais, relativement chaud. le fer dans le noyau de la Terre s'écoule vers des zones plus froides, entraînant un transfert de chaleur.

Pour l'instant, cependant, on sait peu de choses sur la façon 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, au moins dans une certaine mesure, à l'échelle du laboratoire.

Une de ces expériences 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", a expliqué le chef de projet, le Dr Tobias Vogt. "Nous avons rempli ces récipients avec 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 une différence de température allant jusqu'à 50 degrés Celsius entre les couches supérieure et inférieure.

L'échographie offre une vue approfondie

Cette différence de température substantielle a provoqué le barattage du métal liquide à l'intérieur des récipients :entraînées par la convection, des zones d'écoulement localement plus chaudes telles que des colonnes se sont élevées et se sont mélangées avec les parties plus froides, comme une lampe à lave. L'alliage métallique utilisé par l'équipe étant opaque, ils ont cependant dû recourir à une technique d'analyse particulière :"C'est une méthode par ultrasons utilisée en médecine", a expliqué le Dr Sven Eckert, chef du département de magnétohydrodynamique au HZDR. "Nous avons installé une vingtaine de capteurs à ultrasons sur les cuves, ce qui nous a permis de détecter la circulation du métal liquide à l'intérieur."

Lors de l'analyse des données, le groupe de recherche a fait une découverte surprenante. Au cours des expériences, les experts s'attendaient à trouver le regroupement de zones d'écoulement individuelles pour former une structure plus grande et plus étendue, connue sous le nom de circulation à grande échelle. "C'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 en effet pu observer ce vent thermique dans le plus petit navire, mais avec le plus grand navire, le baril, de grandes différences de température ont conduit à une panne presque complète du vent." Cela signifiait que la chaleur n'était pas transportée aussi efficacement qu'on aurait pu s'y attendre. "Nous pensons que la cause en est la formation de turbulences à beaucoup plus petite échelle plutôt que quelques gros tourbillons, ce qui rend le transport de 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 terrestre :"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 avons maintenant montré que la chaleur est transportée moins efficacement dans certaines conditions que les expériences précédentes ne l'avaient suggéré." Cela signifie que les prédictions pour la Terre produiront probablement aussi des valeurs différentes. "Cependant, les processus réels dans le noyau terrestre sont bien plus complexes que dans nos expériences en laboratoire", a ajouté Tobias Vogt. "Par exemple, le flux de fer liquide est également influencé par le champ magnétique et la rotation de la Terre. En fin de compte, nous en savons très peu sur ces processus de flux."

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 pour les futures centrales solaires et les réacteurs à fusion froide. Pour pouvoir approfondir encore le transport de la chaleur dans les métaux liquides, l'équipe du HZDR travaille actuellement sur une technique analytique avancée. "Des capteurs à induction spéciaux devraient enregistrer les flux avec encore plus de détails qu'auparavant et produire de véritables images 3D", a fait remarquer Sven Eckert. "Nos premières mesures sont très prometteuses." + Explorer plus loin

Le flux de chaleur s'est avéré plus efficace lorsque la température oscille que lorsqu'il est statique