25 Octobre 2015

PK-4

PK-4 : comprendre le comportement du plasma

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Plasma Kristall-4 (PK-4) est un laboratoire de plasma complexe installé dans le module européen Columbus de la Station spatiale internationale (ISS). Ce « labo » en micropesanteur est à disposition d’une communauté scientifique internationale importante : des chercheurs européens, russes, américains et japonais réalisent leurs expériences, accompagnés par les ingénieurs du CADMOS (Centre d'Aide au Développement des Activités en Micropesanteur et des Opérations Spatiales).

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Salle de Contrôle du CADMOS. Crédits: CNES

Le CADMOS est le centre opérationnel européen responsable de la préparation et l’exécution des activités PK-4 à bord de l’ISS. Depuis le CNES Toulouse, ses équipes travaillent à la mise en place de l’expérience conjointement avec les scientifiques et les industriels pour s’assurer que les objectifs scientifiques sont atteints.

La première campagne scientifique de l’expérience PK-4 commence dimanche 25 octobre 2015 avec l'aide à bord du cosmonaute Oleg Kononenko. Les experts PK-4 seront présents au CADMOS afin de soutenir les activités en temps réel. PK-4 vise à étudier les propriétés et le comportement des plasmas complexes.

Le plasma complexe, c’est quoi??

Le plasma est l'un des quatre états de la matière, avec l’état solide, liquide et gazeux. Le plasma complexe contient des électrons, des ions, du gaz neutre et des microparticules. Lorsque ces microparticules sont chargées électriquement ou chauffées à haute température dans la « chambre noire » PK-4, elles interagissent fortement avec les autres et peuvent conduire à des structures appelées cristaux de plasma.

Ensuite, les distributeurs de PK-4 insèrent des particules de poussière pour rendre ces cristaux visibles. Les microparticules sont assez grandes pour être visualisées individuellement et leur dynamique peut être observée avec une grande précision en utilisant des techniques simples de vidéo microscopique. Ainsi, le plasma devient un modèle idéal pour enquêter sur divers phénomènes cinétiques au niveau le plus fondamental.

 En effet, la visualisation des plasmas complexes est équivalente à la visualisation d'un système atomique à travers un microscope, ce qui permet d'identifier des atomes individuels et de résoudre leurs mouvements.

Pourquoi à bord de l’ISS??

La plupart des expériences sur des plasmas complexes sont fortement perturbées, voire impossibles, à cause de la forte influence de la gravité sur les microparticules, et exigent des conditions d’apesanteur telles que dans l'ISS.

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Chambre à plasma en pesanteur (à gauche) et dans des conditions de micropesanteur (à droite). Crédits : ESA

Quelles applications??

Comprendre les transformations de plasma complexe équivaut à mieux comprendre la formation de l’univers et des planètes. Il s’agit, avant tout, de la recherche en physique fondamentale. Néanmoins, toutes les connaissances que l’on peut extraire des propriétés conductrices du plasma s’appliquent d’ores et déjà dans des domaines très variés comme la fabrication d’appareils électroniques dernier cri, le développement de puces électroniques innovantes, la conception de nouveaux instruments médicaux ou l’extraction de minéraux et de métaux.

Mise en service

Plasma Kristall-4 a été lancé en octobre 2014 avec un véhicule Progress (le 57P). Le système a été installé à bord de l'ISS en novembre 2014 par Elena Serova et Alexander Samokutyaev, les premiers cosmonautes russes à travailler dans le module européen Columbus.

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Elena Serova avec l’instrument PK-4. Crédits : Roscosmos

La première activation du système PK-4 a eu lieu en décembre 2014. Tous les éléments et les systèmes informatiques ont été validés après 48 heures non-stop de vérifications au sol et à bord avec l’aide de A. Samokutyaev.

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PK-4 installé dans une baie thématique du module Colombus. Crédits : ESA

La phase de mise en service a été complétée par une campagne de vérification en juin 2015 impliquant Guennadi Padalka, l’astronaute qui a battu le record historique du plus long séjour dans l'espace (879 jours). Les premières particules ont été observées dans la chambre à plasma et le système a été validé avec succès. Place à la science !

Historique

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Nuage de particules à gauche. Capture réalisée lors de la campagne de vérification. Crédits : NASA/ROSCOSMOS/ESA

PK-4 est la dernière version d’une série d’expériences historiques étudiant le plasma en micropesanteur. Plusieurs améliorations ont été apportées à ce dernier modèle :

  • la manipulation des particules à l’aide d’un laser
  • des meilleurs moyens d’observation et d’enregistrement (optique, résolution, etc.)
  • la capacité de contrôler et surveiller tous les équipements du sol

 

Expériences précédentes sur MIR :

 1998 : PK-1. Plasma poussiéreux induit par des rayons UV solaires, dans des capsules hermétiques contenant du gaz basse pression et des microparticules.

 1999 : PK-2. Tubes hermétiques contenant du gaz à basse pression et des microparticules. Plasma produit par une décharge luminescente en courant continu.

 

Expériences précédentes sur l’ISS :

 2001-2005 : la PKE-Nefedov (PK-3). Première expérience physique à bord de l'ISS. Décharge d’onde électromagnétiques dans une chambre à plasma possédant un système de mise sous vide et d’alimentation en gaz. Microparticules contenues dans des distributeurs électriques.

 2006-2013 : PK-3 Plus. PKE-Nefedov amélioré. Expérience très réussie : de nombreuses publications dans les principales revues spécialisées en physique comme le New Journal of Physics.

 2014-2018 : PK-4. La technologie de PK-3 Plus combinée à la géométrie d’une décharge luminescente en courant continu (PK-2).