Laboratoire de physique des plasmas

3DCAM Sensors développe et industrialise des capteurs compacts de mesure en temps réel des particules chargées en orbite basse. Ces instruments comblent une absence critique de données environnementales, qui laisse les futures constellations européennes exposées à des risques de pannes lors d'événements solaires majeurs. Cette technologie de rupture, affichant des performances 10 fois supérieures à l'état de l'art, est issue d'une thèse cofinancée par le CNES et l'École polytechnique. Identifiée comme prioritaire par la Stratégie Nationale Spatiale, elle sera testée en orbite en 2028.

Lors de ses approches sans précèdent du Soleil, la mission Parker Solar Probe (PSP, NASA) a fait la découverte inattendue de déflexions abruptes et fréquentes de la direction du champ magnétique du vent solaire, les switchbacks (SBs). De fait de leur omniprésence dans l’héliosphère interne, les SBs sont considérés constituer des marqueurs clefs des mécanismes complexe de la formation du vent solaire. Les jets solaires, une forme de l’activité solaire d’échelle énergétique intermédiaire se produisant constamment dans l’atmosphère du Soleil, apparaissent comme la source probable des SBs. Les objectifs de JET2SB sont de comprendre comment les jets solaires peuvent induire les SBs et si/comment ils participent à l’accélération et la structuration du vent solaire. Le projet JET2SB s’appuiera sur les expertises complémentaires de trois équipes française en physique solaire, utilisant à la fois des observations sols et spatiales, bénéficiant notamment de la jouvence du télescope solaire français THEMIS, et des mesures in-situ de PSP, en synergie avec de la modélisation numérique MHD 3D de la génération et de la propagation des jets solaires, de l’atmosphère à l’héliosphère interne. De nouvelles observations de l’atmosphère solaire seront employées pour mieux comprendre les propriétés des jets et ainsi contraindre les simulations numériques. Le lien déterministe entre les jets et les SBs sera réalisé grâce aux simulations numériques de la propagation des jets. Elles produiront des mesures in-situ synthétiques qui seront comparées avec celles observées. Ceci permettra une percée dans l’interprétation et la compréhension des observations in-situ de PSP, dont le contexte 3D est absent. JET2SB renforcera non seulement l’expertise française dans un domaine très compétitif, mais la placera à l’avant-garde de projets qui vise à une meilleure compréhension des impacts sociétaux de l’activité solaire, grâce à une connaissance améliorée des propriétés des relations Soleil-Terre.

Contexte scientifique La fibrose hépatique est une cicatrisation anormale du foie où le tissu sain est remplacé par une matrice extracellulaire (MEC) rigide et dysfonctionnelle. Elle résulte de lésions chroniques, activant les myofibroblastes, principaux agents de la fibrose, accompagnée d'une réaction immunitaire inadaptée. Elle cause environ 500 000 décès par an, et peut évoluer vers d'autres maladies chroniques du foie jusqu’au cancer. La restauration de l'homéostasie du foie fibrotique est un besoin médical majeur non satisfait à l’heure actuelle. Description du projet Le plasma froid atmosphérique (PFA), un gaz faiblement ionisé, est une stratégie thérapeutique innovante. Nous émettons l'hypothèse que le PFA peut restaurer l'homéostasie tissulaire du foie fibreux, en modulant les myofibroblastes et les macrophages, via la production d'espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS). En effet, le FPA en provoquant des modifications post-traductionnelles (MPTs) des protéines de la MEC, pourrait moduler la chimiotaxie et les réponses immunitaires et cellulaires. Un consortium international a été créé, rassemblant quatre équipes : Eq1 (T. Dufour, physique des plasmas), Eq2 (L. Fouassier, biologie du foie), Eq3 (L. Aoudjehane, modèles 3D du foie) et Eq4 (K. Wende, Allemagne, chimie redox et protéomique). Les objectifs sont de : - Développer un jet de plasma pour traiter in situ le foie pathologique, et analyser les propriétés physico-chimiques du plasma ; - Étudier les processus physiopathologiques induits par les RONS dans des modèles de fibrose hépatique, avec des approches de biologie moléculaire et cellulaire ; - Analyser les MPTs des protéines soumises au traitement par PFA avec des techniques avancées de spectrométrie de masse. Impact et avantages Ce projet pourrait améliorer la compréhension du remodelage tissulaire induit par les PFA et ouvrir la voie à de nouvelles thérapies pour la fibrose hépatique.

Le projet HIPIHE se situe à la frontière entre la physique magnétosphériques et la science planétaire, se concentrant sur l'exploration de la dynamique des ions planétaires, leur cycle de vie et de l'environnement magnétosphérique de Mercure, en utilisant principalement des mesures in situ de la mission BepiColombo de l'ESA/JAXA. Plus précisément, il exploitera les observations tridimensionnelles complètes du Spèctromètre de masse ionique (MSA) à bord de l'Orbiteur Magnétosphérique (Mio), pendant la phase de croisière (survols précédents et futurs de Mercure, 2022-2025) et la phase orbitale (2026 – 2028). Après l'insertion en orbite, le projet tirera profit de la configuration unique à deux orbiteurs de BepiColombo en comparant les observations MSA avec des mesures à la fois à distance et in situ provenant des instruments à bord de l'Orbiteur Planétaire, qui opèrent plus près de la surface de Mercure, tels que PICAM (mesures d'ions) et PHEBUS (observations des neutres). Les observations seront aussi comparées avec des simulations numériques modélisant l’interaction entre la surface, l’exosphère et la magnétosphère de Mercure. Trois objectifs scientifiques fondamentaux en physique planétaire et en physique des plasmas seront abordés: (1) la determination de la composition, des sources et la variabilité des ions planétaires dans la magnétosphère de Mercure, (2) les mécanismes d'accélération, de piégeage et de perte des particules, et (3) les interactions entre la surface, l'exosphère et la magnétosphère de Mercure. En combinant de nouvelles connaissances de BepiColombo et en s'appuyant sur l'héritage de la mission de la NASA MESSENGER, ce projet fournira une compréhension approfondie du rôle des ions planétaires dans la formation de l'environnement magnétosphérique de Mercure. De plus, le projet HIPIHE formera une nouvelle génération d'experts, dotés de compétences interdisciplinaires en recherche, capables de travailler dans postes académiques et non académiques.

Cancer is one of the major causes of death in Europe. Pancreatic (PC) and biliary tract (BTC) cancer are rare gastrointestinal adenocarcinomas with an increasing incidence particularly among the elderly and women in an ageing European population, and a poor prognosis poses major clinical challenges and public health burden. Cold atmospheric pressure plasma (CAP) has shown potential regressing various cancer types in the laboratory setting. Owing to their properties, CAP is a unique source of high concentrations of reactive radicals, electrons, ions, UV etc. that may induce various effects in living tissue. CAP has shown selectivity in where cancer cells are treated with minimal effect to healthy ones; this renders plasma suitable to treat carcinomas in very sensitive areas or organs where an unmet need to minimise damage/side-effects exists. CAP can be delivered through dielectric tubes of variable length, which makes it ideal for minimally invasive and precise laparoscopic and endoscopic operations. Despite the great promise and potential of this concept, there is no single laparoscopic or endoscopic medical platform in the market today based on CAP to treat carcinomas. This project proposes a novel solution using cutting-edge plasma technology, in-silico models, and a system-level approach. It will combine plasma with tumour multiscale simulations and will take input from pre-surgery diagnostics for in-silico model initialisation and CAP operational window determination. The developed technology will be demonstrated through in-vivo experiments, while the foundations for clinical trials and market introduction for CAP-based care of PC/BTCs will be laid out in this project.

CAIPIRINH3A aims to overcome the technical barriers, hindering the uptake of ammonia as an alternative fuel, by developing and demonstrating an entirely novel technological concept: The Plasma Mist Ammonia (PlasMi-NH3) burner - a first of its kind, plasma-enabled, self-learning combustor, burning efficiently liquid ammonia with ultra-low NOx emissions. Leveraging detailed and accurate kinetic models, innovative injectors, non-equilibrium plasma systems for plasma assisted combustion and tailored combustion control strategies, CAIPIRINH3A will generate a truly vibrant and multiphase cocktail of chemical species which will activate multiple synergetic effects for enhanced combustion, in a smart framework. The targeted performance metrics are outstanding and go far beyond current paradigms: a) Thermal efficiency comparable to conventional diesel engines (~40%) b) Tier 4 NOx emissions (≤7.5 g/kWh). c) > 50% decrease in ignition delay and extension of the flammability limits by >20%. d) Near zero ammonia concentration in exhaust (<10 ppm). The technological feasibility and future potential of CAIPIRINH3A’s concept will be investigated through extensive testing at TRL4 and holistic impact assessment studies. Seamlessly integrated in a future clean ammonia economy and in line with strategic EU action plans (Fit for 55, Green Deal), CAIPIRINH3A holds promise for a sustainable future for our societies with vast environmental and socioeconomic impact in the power generation and all transportation sectors. During the project this promise will be fostered through targeted communication, and dissemination actions as well as the development of tailored business models for future exploitation. Hence, CAIPIRINH3A paves the way for a disruptive solution, which is eminent and urgent, towards the re-orientation of the energy conversion sector from fossil fuel-based to carbon free-based combustion systems and the ultimate goal of climate-neutral Europe by 2050.

Le projet COVADIS regroupe des spécialistes des communautés des plasma et de la chimie. Il vise à développer un procédé chimique assisté par plasma pour la synthèse de molécules organiques par carboxylation sélective de molécules hydrocarbonées insaturées en solution aqueuse exposée à une (post-)décharge de CO2. L’activation du CO2 utilisé pour la réaction sera réalisée au moyen de 3 décharges aux caractéristiques différentes : une DBD diffuse, une DBD filamentaire et une décharge réalisée directement dans les bulles de CO2 au sein du liquide. Les mécanismes à l’œuvre dans la (post-)décharge, dans la phase liquide, ainsi que lors de leur couplage avec le milieu chimique réactionnel seront étudiés. Une étude mécanistique détaillée de la carboxylation par voie purement chimique assistée par catalyse, telle qu’elle a été démontrée récemment, sera réalisée. Comprendre ce qui confère sa réactivité à la molécule de CO2 dans ces conditions de catalyse homogène nous permettra d'atteindre cette réactivité par une activation par plasma. L’ensemble des connaissances ainsi acquises seront mises à profit pour le développement du procédé de synthèse dont nous démontrerons la fiabilité et la sélectivité.

Ce projet vise à développer et à utiliser des diagnostics sophistiqués du plasma et des surfaces afin d’acquérir les connaissances fondamentales nécessaires au développement de processus plasma robustes pour nettoyer, doper et structurer le graphène et également pour réduire et doper l'oxyde de graphène afin de produire du rGO. Nous proposons notamment d'utiliser la spectroscopie d'absorption VUV avec un monochromateur de focale de 1 m (qui est assez unique en France) pour mesurer les densités absolues des atomes H, O et N ainsi que des radicaux NHx et des molécules métastables O2* dans les plasmas microondes de H2, N2, NH3 et O2 utilisés. En parallèle, nous proposons de construire un porte-substrat original qui permettra de contrôler précisément l'énergie des ions dans la gamme 0-20 eV, c'est-à-dire les énergies nécessaires pour modifier le graphène/rGO sans l'endommager. Les spectroscopies XPS et Raman seront utilisées en parallèle pour caractériser l'impact du plasma sur le graphène. Les applications ciblées sont de première importance et la méthodologie développée au cours du projet pourrait être facilement appliquée à d'autres matériaux 2D prometteurs dans l'avenir. Ce projet réunit l'expertise de trois groupes experts en science et technologie des plasmas. Le projet bénéficie d'une expertise dans la fabrication de circuits intégrés, les interactions plasma-surface dans la fusion nucléaire (ITER) et les études fondamentales de molécules d’importance dans la haute atmosphère. En contrepartie, puisque les mêmes plasmas sont utilisés, ces différents domaines de recherche bénéficieront également de notre projet puisque la technique de spectroscopie VUV utilisée dans le projet permettra des expériences complémentaires à celles réalisées au synchrotron SOLEIL, mais sur 3 ans sans la contrainte de disponibilité d’une ligne de faisceau.

A critical need for the future of space exploration is the ability to run artificial intelligence (AI) algorithms in situ under the harsh conditions of space. In recent years AI has been revolutionising industrial processes and everyday activities primarily because the computing power has reached a level that enables these algorithms to function. On the ground this is primarily due to the enormous investments in the development of high-performance graphical processing units (GPU) and of the optimised software needed for them. These are delicate devices that cannot be deployed in the harsh conditions of space and the transistor density of the components of a GPU would be too extreme to resist the radiations present in space. ASAP takes on the task of using processors that can sustain the radiation environment of space to transfer to space operation AI algorithms that so far could only be run on the ground. ASAP will use the most advanced space-hardiness proven processors and develop the software needed to run AI algorithms on them. ASAP will show proof of principle functionality and will reach TRL-4. ASAP focuses on five goals: 1) Working towards the identification and implementation of Machine Learning algorithms for the next generation space applications: a suite of candidate algorithms has been identified and will be evaluated during the project for their possible deployment to space; 2) Identification and development of a computing platform for ML algorithms producing a prototype hardware using only components that can operate under space conditions; 3) Definition of a validation plan and its execution in a laboratory validation campaign reaching TRL-4; 4) Implementation of a virtual environment to provide support to the development of ML algorithms; 5) Transforming the future development of technologies and scientific instrumentation for space science and exploration missions bringing artificial intelligence to space missions.

This project aims to bring ionic air-breathing propulsive systems beyond the pioneeristic phase, exploring their capabilities and improving their performance. Non-thermal plasma for atmospheric propulsion is a subject of recent investigations: model airplanes and vertical lifters have recently flown with this type of propulsion, but the potential of this technology is much higher. Many open aspects in this field deserve to be investigated, from fundamental research on ion production to geometric optimization of electrodes and integration of propulsion systems in existing aircraft. To this purpose, a complete research program is proposed, starting from breakthroughs in fundamental research to be achieved through theoretical, numerical and laboratory studies. The following steps will lead to develop improved and optimized propulsive units, with the objective of designing and building an airship model (technological demonstrator) with ionic propulsion. A further objective is the conceptual design of a full-scale stratospheric airship: for this aircraft the high risk approach of the project will give rise to different possible choices about propulsion, depending on the results achieved in the first steps. In particular, for this airship concept at least fully ionic propulsion and combined conventional/ionic propulsion will be considered. A major long-term impact is expected for ion-powered airships, which could act as stratospheric platforms replacing many satellite functions, such as telecommunications, remote sensing, disaster risk management in civil protection, offering these services at much lower costs, with the benefit of being recoverable systems. A fully successful program may lead to top-level, fully ion-powered airships: thanks to the propulsive units without moving mechanical parts, powered by solar energy, they would have extremely long operation times, low maintenance and very low pollution levels.

Les sursauts radio solaires sont produits par des faisceaux d'électrons accélérés dans la couronne solaire. Ceux-ci excitent une turbulence d’ondes électrostatiques qui émet des ondes électromagnétiques (EM) à la fréquence plasma électronique et ses harmoniques, via une chaîne complexe de mécanismes d'interaction successifs entre ondes, faisceaux et plasmas solaires. De nombreuses questions sur les processus de génération et de propagation des émissions EM demeurent irrésolues. Aujourd’hui, les radiotélescopes terrestres de nouvelle génération observent le Soleil avec des résolutions spectrales et temporelles sans précédent, tandis que les récentes missions solaires Solar Orbiter et Parker Solar Probe explorent l'atmosphère solaire à des distances au Soleil jamais atteintes. En outre, des expériences d’interaction laser-plasma ont récemment recréé en laboratoire des conditions et des processus relevant des sursauts solaires. Les circonstances sont réunies pour un projet dont les objectifs se concentrent sur l'identification et la caractérisation des processus responsables de la génération d'ondes EM dans les plasmas magnétisés, turbulents et aléatoirement inhomogènes. L’équipe interdisciplinaire, composée de radioastronomes solaires, de théoriciens des plasmas, de modélisateurs HPC et d’expérimentateurs de l'interaction laser-plasma, propose d'atteindre ses objectifs par des approches et des outils complémentaires, en utilisant des observations par le radiotélescope NenuFAR, des simulations numériques de haute performance et des expériences laser-plasma dans des conditions modélisant celles des sursauts solaires. Le projet arrive à point nommé puisque le prochain maximum solaire est prévu pour 2024. Les résultats bénéficieront à l'astrophysique stellaire, la physique fondamentale des plasmas, l'interaction laser-plasma, - avec des applications à la fusion inertielle -, et la météorologie spatiale.

Le projet PLASINTER a pour but d’approfondir les connaissances relatives au comportement d’un catalyseur monolithique, tant dans sa structure que dans sa nature chimique, lors de la réaction d’hydrogénation du CO2 assistée par plasma non thermique. Il y a consensus dans la communauté plasma sur la nécessité d’élucider les réactions chimiques en couplage plasma – catalyse afin d’optimiser cette technologie. La conception de catalyseurs spécifiquement adaptés à l'activation par plasma et la caractérisation in-situ/operando avec le soutien de la modélisation fourniraient des informations clés sur les processus sous-jacents et permettraient le développement de supports et phases catalytiques optimaux. Ce projet fondamental vise à comprendre comment la micro-mésoporosité de canaux monolithiques modifie la propagation de la décharge plasma, donc la barrière d'activation sur le catalyseur et l'activation du CO2. L'analyse de la surface du catalyseur et de la phase gazeuse par des techniques infrarouge in-situ sera réalisée afin d'établir les propriétés du plasma à pression atmosphérique se développant au cœur des monolithes et d'identifier les réactions chimiques du plasma induites sur les surfaces. La conception de catalyseurs à structure contrôlée permettra de relier les effets des micro-canaux du monolithe à la réaction d'hydrogénation. Des alumines et silices mésoporeuses supportées avec du Ni ou Cu seront synthétisées et les effets de promoteurs sur les propriétés physico-chimiques des catalyseurs évalués. L'investigation par des expérimentations combinées ex-situ & in-situ fournira des connaissances clés sur la conception des catalyseurs et les mécanismes de réaction de la réaction d’hydrogénation sous plasma.