Département Physique Instrumentation Environnement Espace

Tester la nature quantique de la gravité constitue un défi majeur en physique. En raison de la faiblesse de la gravité, les expériences axées sur les interactions gravitationnelles rencontrent des obstacles. Alors qu'il y a eu de nombreuses études sur les interactions entre objets astronomiques, relativement peu d'expériences ont observé les interactions gravitationnelles entre des objets de plus petite taille. Une avancée cruciale consiste à étudier l'interaction gravitationnelle mutuelle entre de petits objets classiques pesant environ 1 milligramme, dans le but ultime de manipuler à la fois la masse source et la masse de test de manière quantique. Le refroidissement à l'état fondamental, qui implique de réduire l'énergie d'un résonateur mécanique à son état le plus bas possible, est essentiel pour de telles expériences, car il constitue la base des propositions visant à observer l'interaction entre gravité et mécanique quantique. Les approches expérimentales impliquant des masses en interaction libérées de potentiels harmoniques montrent des perspectives prometteuses. GRAVITATION vise à démontrer une voie alternative pour préparer des modes mécaniques à basse fréquence en interaction gravitationnelle et possédant un grand temps de cohérence. En résumé, GRAVITATION va faire progresser le domaine de la détection du champ gravitationnel, dont le but ultime est l'exploration d'objets quantiques en interaction gravitationnelle.

Le projet AMHYRA vise à étendre les connaissances scientifiques et techniques concernant la manipulation d’écoulements hypersoniques par des forces d’origine électromagnétique, en particulier à travers la physique de la magnétohydrodynamique (MHD). Ces forces MHD peuvent être générées dans le volume du fluide si ce dernier est rendu suffisamment conducteur d’électricité et qu’un champ magnétique est appliqué. Il est ainsi possible d'agir mécaniquement et à “distance” sur l’écoulement sans aucune pièces mobiles: c’est le concept d’actionneurs MHD. Les très hautes vitesses (> Mach 10), notamment dans le contexte de la rentrée atmosphérique et des planeurs hypersoniques, est particulièrement propice à l’utilisation de la MHD car dans ces régimes les véhicules s’entourent naturellement d’un “cocon” de plasma qui permet alors, en présence de champ magnétique, la circulation de courants électriques, vecteurs de la force MHD. Les applications de cette technologie dans ces contextes portent sur 1) la réduction des flux de chaleur aux parois du véhicule 2) la réduction du phénomène de “blackout” radio 3) la conversion MHD d’énergie et enfin 4) le contrôle de trajectoire. Lors du projet AMHYRA, les savoir-faire, installations et outils de modélisation de l’ONERA et du CNRS, à travers l’institut ICARE, seront mis en commun dans l’objectif de maîtriser les différents aspects de la physique complexe de l’interaction MHD en régime hypersonique. Nous chercherons en particulier à produire une base de données expérimentale incluant une très grande diversité de conditions de vol, à l’image de ce qu’un véhicule rencontre au cours d’une rentrée atmosphérique. Ces données (distance et formes des chocs, efforts aérodynamiques…), produites sur des maquettes équipées de dispositifs de production de champ magnétique, seront obtenues sur trois installations différentes: MARHy, PHEDRA (CNRS/ICARE) et F4 (ONERA). Selon les installations, nous serons en mesure d’étudier différents aspects de la MHD hypersonique, par exemple l’interaction décharge-champ magnétique (MARHy), l’influence de la MHD sur l’ablation de matériaux (PHEDRA) ou encore la MHD avec effets de “gaz réel” (F4)... En accompagnement de ces expériences, il sera mené un travail important de modélisation numérique grâce aux outils développés à l’ONERA pour la MHD. Cette synergie entre approches expérimentale et numérique permettra de réaliser un travail de confrontation et validation, nécessaire pour la montée en maturité de concepts d’actionneurs MHD plus ambitieux pour la manoeuvrabilité des véhicules hypersoniques.

Il s’agit de faire la preuve de concept, d’une topologie de filtre hyperfréquence, pour des applications spatiales en bande X et au-delà, permettant de palier les défauts de précision des techniques fabrication additive. Pour réaliser cette démonstration, une topologie particulière de filtre, à base de résonateurs coaxiaux à saut d’impédance, surdimensionnés et désynchronisés entre eux, sera proposée. La solution s’appuiera sur des degrés de liberté intrinsèques à la topologie, permettant, d’atteindre des dimensions suffisantes, pour encaisser les fortes tolérances dimensionnelles en fabrication additive et obtenir des filtres offrant le meilleur compromis performances électriques/dimensions/tenue en puissance. S’agissant d’applications spatiales, la tenue en puissance est synonyme ici de la meilleure immunité possible au phénomène multipactor, se mesurant en puissance RF maximale admissible. La validation se fera sur des exemples de topologies de filtres, devant répondre à des spécifications proposées par un constructeur de satellite, donc réalistes sur le plan applicatif. La réalisation se fera par un procédé de fabrication métal par fusion laser, largement utilisé dans l’aérospatial, et considéré comme mature d’un point de vue industriel. Pour répondre à l’objectif de surdimensionnement, la conception se fera sur des structures de résonateurs et de filtres exploitant l’harmonique supérieure. L’idée du surdimensionnement, n’est pas nouvelle. Elle a notamment été appliquée sur des guides rectangulaires et circulaires, mais aussi sur des filtres, qu’ils s’agissent de technologies planaires, SIW ou volumiques. Appliquer cette technique à des structures coaxiales à saut d’impédance, supportant des modes TEM, serait une première. La diversité des degrés de liberté propres à ces topologies, associés au fait que sont combinées des structures coaxiales et des sauts d’impédance, conduit à une rupture conceptuelle, dans le sens ou le dimensionnement est libre selon XY et Z et de façon indépendante, permettant d’autre part de supprimer le fondamental, pour ne préserver que la fréquence harmonique d’intérêt. Le Lab-STICC, principalement chargé de la conception des filtres, sera le porteur du projet FTX. Il coopérera avec des spécialistes du domaine spatial, l’ONERA et Thales Alénia Space, et une société française FREYSSINET AERO GROUP spécialisée dans l’impression 3D métal, qui offriront leur concours dans leur domaine d’activité respectif. La société FREYSSINET AERO GROUP basée à Toulouse, assurera la fabrication des maquettes de filtres, par un procédé de fusion laser métal, tout en accompagnant le Lab-STICC, par des phases d’échange, de conseil, de simulation fusion laser et de préparation des objets à réaliser. Thales Alenia Space, basée à Toulouse, sera chargé du revêtement argent des filtres et des tests thermomécaniques, selon des procédures et des normes conformes à l’ECSS (European Cooperation for Space Standardization), définies par l’ESA. Selon la disponibilité des équipements aux fréquences et aux puissances considérées, Thales Alenia Space et/ou ESA-Val Space Consortium basée à Valence (Espagne), auront en charge les tests multipactor des filtres, selon une procédure ESA. L’ONERA aura en charge la caractérisation de l’émission électronique (TEEY) et l’analyse de la surface (XPS) du matériau final, obtenu après fusion laser et un éventuel traitement de surface, avec et sans le revêtement argent. Le Lab-STICC assurera la mesure de la conductivité électrique aux fréquences d’intérêt. Compte tenu de l’impact sur le facteur de qualité et sur la tenue en puissance multipactor, la rugosité des surfaces est un élément à traiter avec la plus grande attention. A ce niveau, l’ONERA et FREYSSINET AERO GROUP , collaborerons étroitement en vue de proposer les profils de surface les mieux adaptés à la problématique.

Le projet DIADEMS, coordonné par l’ONERA, vise à développer une méthodologie et une instrumentation pour la mesure d’émissions diffuses (i.e. non canalisées) de polluants gazeux. Pour cela, la télédétection optique est particulièrement adaptée. La mesure sera donc effectuée par un LiDAR à absorption différentielle en colonne intégrée (IP-DiAL) conçu par l’Onera et reposant sur un laser accordable en longueur d’onde fabriqué par Teem Photonics. Bien que cet IP-DiAL puisse convenir à de nombreux gaz, le projet se focalisera sur l’ammoniac (NH3) et le 1,3-butadiène. En effet, ces deux polluants, très préoccupants pour l’environnement et la santé, présentent des émissions diffuses marquées difficilement quantifiables. DIADEMS sera marqué par les jalons suivants : - Un développement instrumental adapté à la métrologie in situ des polluants sera effectué (modification de la longueur d’onde de l’émetteur, solution innovante pour la mesure de la longueur d’onde, intégration du système). - En parallèle, une campagne de mesure sur un site de traitement des eaux du Service Public de l’Assainissement Francilien (SIAAP) dressera, grâce à des mesures de référence et par réseau de capteurs couplées à des modélisations de dispersion, une cartographie grossière des émissions (sources et concentrations) afin d’établir différents scénarios de déploiement du système IP-DiAL. - Puis, le système IP-DiAL sera qualifié en conditions contrôlées dans une galerie ventilée avec les deux polluants. Une preuve de concept de mesure d’émissions diffuses de 1,3-butadiène est attendue. - Enfin, le dispositif sera validé pour le NH3 sur le site du SIAAP avec une stratégie de mesure bénéficiant du retour d’expérience acquis lors de la première campagne. DIADEMS s'appuiera sur les compétences laser (théoriques et industrielles) de Teem Photonics, sur l’expérience de l'Onera en matière de télédétection dans l’infrarouge thermique, et sur les compétences de l'Ineris en matière de modélisation et de surveillance des émissions diffuses sur les sites industriels, y compris le SIAAP. Le projet permettra de soutenir les efforts de R&D de Teem Photonics sur ces sources infrarouges uniques au monde, aidera l'Onera à pérenniser un lidar IP-DiAL émettant dans l'infrarouge lointain afin de le déployer pour d'autres campagnes environnementales ou liées à la sécurité, et permettra à l'Ineris de faire progresser l'état de l'art de la métrologie des émissions diffuses et des modèles de dispersion, avec potentiellement un impact à terme sur les normes françaises ou internationales sur le sujet.

L’amélioration de notre connaissance du cycle de l’eau dans l’atmosphère nécessite de disposer de mesures résolues dans le temps et selon la verticale de l'abondance des deux principaux isotopes stables de la vapeur d’eau dans la basse et moyenne troposphère. C’est à l’aide d’une instrumentation LIDAR à absorption différentielle de haute sensibilité que nous proposons de relever ce défi qui permettra de combler le manque indéniable d’observable, afin d’augmenter la précision des modèles de climat. Ainsi, le projet SWALIDE a pour but de combiner les technologies de détection infrarouge de pointe basées sur des photodiodes à avalanche HgCdTe avec le premier système lidar à absorption différentielle WAVIL dédié à la mesure de l'abondance isotopique de la vapeur d'eau. Le premier objectif est d'amener le lidar à un niveau de sensibilité inédit pour les applications de sciences de l’atmosphère, et des futurs réseaux d’observation. Pour cela, une photodiode à avalanche spécifique dotée d'une architecture monolithique originale sera développée afin de fournir une rupture en termes de sensibilité et d'opérabilité. Pour soutenir cet objectif, l'ensemble de l'instrumentation sera testé et validé par des inter-comparaisons avec d’autres capteurs tels que des spectromètres industriels conçus pour les mesures in situ. Le second objectif s’inscrit dans la perspective des futures missions lidar spatiales, qui étendront les observations de la vapeur d'eau et de l'abondance isotopique à l’échelle globale afin de disposer d’une climatologie inédite des zones de convergence et de divergence d’humidité dans l’atmosphère. Pour cela, la photodiode à avalanche, son électronique d'amplification et de formatage seront conçues et réalisées en collaboration avec Airbus DS. Ceci permettra de préparer le transfert de la recherche à l’industrie en vue des futures missions lidar qui pourront être proposées par la France à l’agence spatiale européenne en s’appuyant sur le CNES.

Atteindre la faisabilité et la fiabilité de la densification des dispositifs électroniques nécessitent des solutions de design intelligentes et innovantes à l'échelle nanométrique. Dans ce projet, nous proposons d’exploiter de nouveaux phénomènes de transport de la chaleur, prédits numériquement et théoriquement et/ou démontrés partiellement expérimentalement à ces mêmes échelles, pour la gestion thermique des systèmes ultra-denses. Ces nouveaux phénomènes comprennent le transport balistique, la cohérence de phonons, la rectification thermique ou encore le transport thermo-hydrodynamique. Par ailleurs, nous focalisons nos recherches sur les matériaux bidimensionnels (2D) dont les propriétés physiques ne cessent de révolutionner la façon de concevoir de nouveaux appareils hautes performances, en particulier dans les domaines de la microélectronique, de la conversion et du stockage de l'énergie, de la dépollution, de la détection, entre autres. Ces matériaux sont très prometteurs pour la gestion thermique des systèmes aux nanoéchelles grâce à leur forte anisotropie thermique et un grand libre parcours moyen des phonons. Ils devraient permettre de résoudre les problèmes de forte dissipation thermique dans des dispositifs électroniques et optoélectroniques. Le projet BF2D est un projet fondamental, très ambitieux d’un point de vue scientifique et technique. Notre proposition vise à développer une gestion intelligente de l'énergie, basée sur des matériaux 2D nanoarchitecturés, afin de créer et d’ajuster des propriétés de transport thermique anisotropes à température ambiante. Son originalité est d'étudier l’impact sur ces propriétés de l'organisation spatiale et de la distribution de la densité des centres de diffusion des phonons à la même échelle que les longueurs d'onde des phonons (quelques nm à 300 K). Les stratégies de fonctionnalisation des matériaux 2D visées comprennent : la perforation nanométrique contrôlée et l’amorphisation partielle des matériaux, la découpe de membranes en formes asymétriques (trapézoïdes) et les hétérostructures latérales (graphene/h-BN, encapsulation partielle, suspension partielle, ou mêmes membranes déposées sur un bi-substrat). Ces stratégies, combinant des approches originales d'élaboration et de fonctionnalisation intelligente, seront précisées, mises au point et optimisées sur la base de lois de designs issues de modélisations atomistiques et mésoscopiques, et de mesures innovantes de double plateforme. Pour atteindre ses objectifs, le consortium du projet est constitué par cinq laboratoires académiques (CETHIL, Inst. Néel, LOMA, IMPMC et DPHY/CMT-ONERA) d’expertises reconnues internationalement et complémentaires dans les domaines de la modélisation multiéchelle (ab-initio et dynamique moléculaire, et de l’échelle atomique à l’échelle mésoscopique) et de la mesure des propriétés du transport et de la cartographie thermique, de la synthèse de nanomatériaux et systèmes, et de la fonctionnalisation des matériaux. Les principaux résultats attendus du projet intègrent de nouveaux protocoles de conception et d’élaboration de matériaux nanoarchitecturés innovants pour dissiper la chaleur dans des directions préférentielles (rectification thermique) avec pour objectif final la création de blocs de construction pour la gestion thermique tels que des guides, des lentilles, des diffuseurs ou des redresseurs thermiques (thermotronics).

Afin d’améliorer les systèmes de prévision court-terme des éclairs et les systèmes d’alerte précoce des orages, les travaux du projet sont d’une part le développement d’un nouveau concept de capteur de champ électrostatique miniature, pour lequel un brevet a été récemment déposé, et d’autre part le développement d’algorithmes de fusion de données pour détecter, localiser et prévoir les cellules orageuses. Le développement d’un réseau de ces capteurs et la validation expérimentale lors d’une campagne d’observation et le développement d’un système d’alerte précoce font également partie du projet. Le développement du nouveau capteur miniature de champ électrostatique exploitant les propriétés piézoélectriques d’un micro résonateur en quartz, en rupture avec les capteurs existant, nécessite des travaux permettant une meilleure analyse des phénomènes physiques à l’échelle réduite du capteur en vue de son optimisation, et des innovations en terme de procédés de fabrication collective en salle blanche pour améliorer sa précision et sa miniaturisation, notamment la gravure de wafers fins de quartz par DRIE (Deep Reactive Ion Etching), et l’assemblage 3D à l’échelle du micro résonateur. De nombreuses études ont déjà démontré l’intérêt de l’exploitation de mesures de champ électrostatique fournies par un moulin à champ pour détecter et prévenir l’arrivée d’une cellule orageuse dans un périmètre donné autour du capteur. Le déploiement de ces nouveaux capteurs, utilisables en grand nombre et sous forme d’un réseau dense, et leur validation expérimentale lors d’une campagne d’observation prévue au cours du projet, permettront de définir de nouveaux systèmes d’alerte et donc de prévisions de risque orageux. Les applications concernées sont duales et concernent la prévision du risque orageux des installations civiles comme militaires pour sécuriser les zones sensibles dans le cadre de planification de missions stratégiques. Par ailleurs, le développement d'un capteur miniature de champ électrostatique ouvrira la voie à de nombreuses applications dans les domaines aéronautique et spatial comme la mesure aéroportée pour l’estimation du risque orageux, l’évaluation du risque de foudroiement des drones, l’analyse des phénomènes de charge et décharge électrostatique à la surface des satellites, dans le cas des missiles : la détection de formation de décharges électriques en vol et à l’impact, pour les hélicoptères : le risque d’électrocution lors des opérations d’hélitreuillage, ou pour les aéronefs : la détection des conditions givrantes/poussière volcanique/sable. Les partenaires du projet ont des compétences complémentaires dans les domaines des micro capteurs (équipe capteurs et microtechnologies de l’ONERA), de la modélisation de la physique de l’atmosphère et de la prévision des orages (équipe foudre, plasma et applications de l’ONERA), et de la gestion et l’opération de réseaux de capteurs destinés à l’observation des orages (METEORAGE).

Le remplacement de l’aluminium par des composites à fibres de carbone (CFRP) dans l’industrie aéronautique s’inscrit dans une démarche d’aviation durable. Or comparé à l’aluminium, les CFRP ont une conductivité thermique et électrique plus faible, produisant un endommagement thermomécanique plus sévère en cas d'impact de la foudre. Pour protéger un aéronef en CFRP contre la foudre, une stratégie consiste à durcir les structures aéronautiques. Cela nécessite d’instrumenter les essais foudre selon trois contraintes : i) le capteur/instrument doit être isolé électriquement du banc d’essai ; ii) injecter dans une structure, via un arc électrique, un courant de 100 kA pendant 200 µs est destructeur et exige d’acquérir un jeu de donnée auto-suffisant à chaque tir ; iii) les phénomènes thermomécaniques engendrés se déroulent sur l’échelle de la microseconde à la milliseconde. Ces contraintes imposent de travailler avec des caméras rapides qui fonctionnent dans le visible, là où les structures sont opaques et l’arc de foudre est très lumineux. Ainsi, on n’aborde que de manière indirecte l’endommagement à cœur lié à l’agression foudre. Pour y accéder directement, on a récemment mis en évidence pour la première fois le potentiel de l’imagerie X en contraste de phase (X-ray Phase Contrast Imaging) combinée à la technique d’interférométrie à décalage multilatéral de l’ONERA (IDML) pour caractériser des CFRP foudroyées sur le banc foudre de l’ONERA (analyse post-mortem). L’XPCI-IDML permet, en une seule prise d’image, de décorréler l’information d’atténuation et de phase et de mettre en évidence des endommagements de nature différente. Dans ce projet, on propose de franchir les étapes nécessaires à la réalisation d’un banc de laboratoire XPCI-IDML, mais cette fois dynamique (> 500 kHz) pour caractériser en temps réel, sur le banc d’essais foudre de l’ONERA, l’explosion des protections et l’endommagement à cœur. La difficulté réside dans la haute cadence, où la réduction du temps de pose augmente le bruit de mesure. Pour remonter à une information de qualité suffisante, le défi sera donc de développer des méthodes d’extraction de phase innovantes. Pour cela, on simulera l’image XPCI-IDML du foudroiement en utilisant le modèle d’imagerie développé au CEA. Les paramètres de la scène (densité, température, pression...) seront issus des modèles de simulation de l'ONERA qui fournissent une description qualitative de la magnéto-hydrodynamique de l'arc de foudre, de l'explosion de la protection foudre et de l'endommagement à cœur du composite. Les images XPCI-IDML simulées seront comparées à des images XPCI-IDML expérimentales, réalisées sur banc de référence (laboratoire ou synchrotron), d’échantillons caractéristiques et de phénomènes d’endommagements canoniques. Cela permettra d’ajuster les modèles pour réduire le nombre d'information a priori sur la scène de foudroiement et améliorer les images XPCI-IDML estimées. Grâce aux outils plus prédictifs, il sera possible d'optimiser la chaîne d'acquisition numérique, de développer des algorithmes avancés de reconstruction de phase et de guider les développements expérimentaux. Une approche itérative entre les images XPCI-IDML simulées, les images XPCI-IDML expérimentales et l'optimisation des algorithmes de reconstruction de phase sera faite pour tendre vers les conditions d'acquisition à haut taux de répétition. Ces travaux permettront de définir précisément le banc statique et dynamique qui répondra au mieux aux enjeux du durcissement des structures aéronautiques carbone face à la foudre.

La propulsion électrique (PE) pour satellite, ou propulsion plasma, connaît actuellement un bouleversement dû à l’augmentation du coût du xénon, le principal gaz propulsif utilisé. Cette situation est créée par une diminution de la production, une augmentation du coût de production due à la crise énergétique, et une augmentation rapide de la demande en satellites utilisant la PE. Les industriels cherchent donc à remplacer le xenon par un autre gaz moins cher et plus abondant : le diode (I2). Cependant, il apparait dans les études actuelles que le I2 n’est pas compatible avec les neutraliseurs de faisceau de forte puissance, cathodes creuses d’émissions d’électrons, utilisés par les technologies de PE dominant le marché. Ce facteur est donc un frein important à la généralisation de son utilisation industrielle. Par ailleurs, les fabricants de satellites commencent à vendre des satellites produits en série et en grands nombres. Ces satellites sont principalement des modèles de tailles petites et moyennes (de 10 à 600 kg) pour lesquels les technologies de PE actuellement sur le marché ne répondent pas à tous les besoins exprimés par les fabricants de satellites. Ces derniers aimeraient réduire les coûts liés à la PE tout en ayant des produits plus fiables, plus efficaces et de durée de vie plus élevée. Ce projet vise à trouver une solution à ces problématiques en étudiant la combinaison du propergol l2 et d’une technologie particulièrement innovante de propulseur : le propulseur à résonance cyclotronique électronique (ECRT). Cette technologie a déjà démontré des performances particulièrement intéressantes à différents niveaux de puissance, 30 watts et 200 watts, elle n’utilise pas de cathode, ce qui la rend particulièrement compacte, bon marché, fiable et compatible avec le I2. Le I2 est un gaz moléculaire à la chimie complexe dont la connaissance reste naissante. En comparaison des études existantes sur les plasmas de I2 utilisant les technologies classiques de PE, l'ECRT présente des températures électroniques (Te) particulièrement élevées (de 20 à 60 eV) qui devrait permettre de mieux exploiter les propriétés du I2. Le projet permettra la création d’un banc d’essai pour caractériser les performances de l’ECRT au I2 et pour étudier finement la composition chimique du plasma produit par le propulseur. Cette chimie sera étudiée expérimentalement grâce à un grand nombre de diagnostics mis en œuvre durant le projet. Ces études seront comparées à des résultats de simulations numériques obtenus par un code PIC 1D. Ce code est existant et fonctionnel pour des gaz rares. Sa chimie sera adaptée aux plasmas de I2 durant le projet. Ces comparaisons permettront d’apporter des données sur la composition chimique d’un plasma de I2 dans des gammes de Te jamais testées auparavant et de contribuer à l’amélioration de modèles d’équilibre chimique de ces plasmas. Une étude spécifique sera menée sur la dynamique des différents ions du plasma au sein de la tuyère magnétique du propulseur. Cette étude apportera des jeux de données nouveaux décrivant pour la première fois le comportement d’une tuyère magnétique alimentée par un plasma aux propriétés électronégatives. L’étude contribuera ainsi à ce champ de recherche actif avec des données originales. Enfin, EPPSI mettra en place et caractérisera le fonctionnement du premier ECRT au I2 et permettra ainsi de fournir des éléments de réponses quant à la capacité de cette combinaison à modifier le paysage de la propulsion électrique de satellite de faible et forte puissance.

Le but de l’activité est d’étendre le modèle Salammbô de l’ONERA, de simulation physique de la dynamique des ceintures de radiation électronique de la Terre aux très hautes énergies électrons. Pour cela, le processus d’interaction onde-particule doit être revisité afin d’y intégrer un modèle de densité de plasma froid valide aux très faibles niveaux de densité. En parallèle, les incertitudes de modélisations devront être maîtrisées et modélisées afin de les prendre en compte dans l’outil d’assimilation de données associé au code Salammbô. Une métrique dédiée à l’évaluation objective des performances du modèle sera proposée et utilisée. De plus, ce nouveau modèle sera comparé, sur différentes orbites, via le logiciel OMERE (développé par TRAD), aux modèles standards et émergents. Enfin, les implications d’une meilleure modélisation des électrons de très hautes énergies seront évaluées par des calculs de dose et de charge interne sur des géométries complexes, ainsi qu’avec l’étude de leur impact sur le blindage des satellites. Ces calculs seront réalisés avec le logiciel FASTRAD, également développé par TRAD.

La transition énergétique et l’essor de l’économie de l’hydrogène va demander des méthodes de production d’hydrogène bas carbone toujours plus efficaces et compactes. Parmi ces celles-ci, on peut citer la production d’hydrogène par décomposition du méthane ou de l’ammoniaque. Cependant, les procédés thermiques ou thermo-catalytiques classiques souffrent de limitation qui entravent leur généralisation. L’objectif de ce projet est d’évaluer les performances d’un nouveau type de réacteur plasma (brevet déposé) pour ces deux réactions de décomposition. Ce réacteur utilise des décharges pulsées générées dans des capillaires, permettant un contrôle précis de l’énergie déposée une bonne « scalabilité ». Le dispositif permet un dépôt d’énergie rapide et homogène, suivi d’une thermalisation rapide due aux temps de diffusion faibles de ce type de réacteur capillaire. Ces propriétés permettent une opération du réacteur en régime pseudo-transitoire, en déséquilibre chimique, afin d’augmenter l’efficacité. Ce procédé d’intensification est appelé activation pulsée. A partir de résultats prometteurs obtenus sur la décomposition du CO2 et du méthane, le projet MP4HyP vise à démontrer que ce réacteur peut décomposer efficacement le méthane et l’ammoniaque en utilisant cette activation pulsée par plasma. Pour cela, des expériences en mélange réactifs seront menés pour identifier la configuration régime d’opération du réacteur le plus efficace pour maximiser le taux de production et l’efficacité. La dynamique de la décharge dans le capillaire sera ensuite caractérisée par des diagnostics optiques et électriques afin de mesurer ses propriétés (extension, densité électronique au cours du temps, température du gaz). Enfin des modèles cinétiques, thermiques et du plasma (dérive diffusion) seront employés afin d’identifier les processus physico-chimiques clés pour optimiser la conversion et faciliter la montée en échelle.

Nous proposons d'exploiter les propriétés remarquables des états de Rydberg pour faire avancer l'état de l'art des horloges atomiques optiques et des capteurs de champs électromagnétiques. La polarisabilité exceptionnelle des états de Rydberg sera utilisée pour mesurer précisément des champs micro-ondes. Cette méthode sera appliquée à la mesure du rayonnement du corps noir dans les horloges à réseau optique, et à l'imagerie électromagnétique de haute résolution dans une matrice d'atomes uniques, ces deux capteurs quantiques nécessitant des sensibilités similaires. Dans un deuxième temps nous explorerons des méthodes pour obtenir des mesures résolues en fréquence : dans la matrice d'atomes unique, chaque atome en adressera une fréquence différente, et dans les horloges nous viserons des transitions sensibles dans le domaine THz, proche du pic d'émission du rayonnement du corps noir. Enfin, nous exploiterons l'expérience théorique et expérimentale acquise dans ce projet pour définir des perspectives d'utilisation d'états intriqués afin de surpasser la limite quantique standard des capteurs quantiques. Pour atteindre ces objectifs, le consortium regroupe trois partenaires reconnus pour leur expertise en atomes de Rydberg, en capteurs quantiques à l'état de l'art et en manipulation d’états intriqués entre des atomes uniques.