Force (et faiblesse) de Casimir.

[alga]

...on comprime et ça refroidit !!!Ca a laissé perplexe un certain nombre d'X, ingénieurs généraux de l'armement, et finalement cela a été un sujet du concours d'agrégation de physique en 1995 je crois!
Enfin ce sera suivant l'intérêt que vous portez à ce genre de choses.
@+

Salut !

Ce refroidissement suite à une compression est explicable pour un néophyte comme moi ?

Cela a un rapport avec une énergie produite "ex-nihilo" ?

Ce qui a été comprimé est un plasma d'atomes de fer ?

[krolik]

Non, non c'est du très simple, pas de température extrême, on reste dans les phases liquide et solide.

On prend une structure mésoporeuse (ou nanoporeuse si vous préférez au niveau du terme) du genre zéolithe ou silicagel (c'est dans les bouchons de tubes d'aspirine pour éviter que les comprimés ne prennent l'humidité).
Et vous mélangez ce matériau avec un liquide non mouillant. Dans des ordres de grandeur d'un volume égal de matériau solide et de liquide.
Et là vous comprimez le tout dans un piston sans air. Autrement dit vous forcez le liquide non-mouillant à rentrer dans les petits pores du matériau solide..
Typiquement il faut monter à des pressions de 300 à 1500 bars suivant la dimension des porosités et la qualité du liquide.
Et là vous vous apercevez que la température a baissé lors de la compression, ce qui apparemment contredit la coutume habituelle.
Ca c'est la première propriété apparente du système qui n'est pas si facile que cela à expliquer.
Après cela il y en a d'autres qui apparaissent suivant la morphologie du matériau poreux :
- porosité de même diamètre constant.
- porosité uniforme mais avec des rapports de diamètres constant sur chaque pore, rapport du gros diamètre du pore / petit diamètre du pore.
@+
PS : Jespère que vous avez aimé le coup du petit train magnétique, vous êtes une douzaine à être allé à y jeter un oeil. Marrant non ?
Ca pourrait être enseigné dans les écoles, classe de seconde.. initiation au magnétisme pour intéresser les gamins.

[Remundo]

est-ce que l'effet est réversible ?

parce qu'il peut se passer pas mal de choses avec la miction de deux matières différentes.

On peut envisager un réarrangement cristallin sous l'effet de la pression, ou même une réaction chimique endothermique.

Il existe aussi des mélanges qui perdent du volume par rapport à celui des constituants pris séparément.

Mais je n'ai pas la réponse exacte.

P.S. : oui Krolik, le petit train magnétique est parfait pour montrer l'existence de cuvette ou mont d'énergie potentielle pour un dipôle magnétique placé dans Bextérieur.

Je n'ai pas complètement saisi le recours à une théorie non classique, mais si vous le dites, vous avez étudié cela plus longuement que moi dans vos diverses recherches.

[krolik]

Pour le petit train, effectivement la démonstration évidente d'un pic ou d'un puits de potentiel.

Maintenant il faut rappeller quelques propriétés du non-mouillage.. typiquement une goutte de mercure qui court sur une table.
De fait la goutte de mercure ne touche la surface, les forces de Van der Vaals font que la goutte flotte à une distance de l'ordre du micron de la table. Distance appelée d'ailleurs distance de Tolmann.
Donc s'il n'y a pas contact il ne peut y avoir réaction chimique entre le liquide et la structure nanoporeuse, et pas non plus de formation d'un eutectique...
On reste dans le domaine strict de la physique.
Pour faire collapser une structure nanoporeuse sous une pression hydrostatique il faudrait appliquer des pressions... de l'ordre du mégabar, c'est de la détonique, ce n'est pas le cas ici.
Pour avancer un peu, il faut retourner à la base, loi de Jurin, pression de Laplace.
Si l'on veut faire rentrer un liquide non mouillant dans un tube capillaire, et bien il ne voudra pas.. rien ne va se passer jusqu'au moment où l'on atteindra la "pression de laplace", et là le liquide rentrera.
Ce processus est réversible.
La pression en question est inversement proportionnelle au diamètre du tube capillaire (plus le diamètre est petit, plus la pression est élevée) et en sus cela dépend du liquide.
@+

[krolik]

Pour vous donner des éléments complémentaires.
En fait lors de l'intrusion du liquide, c'est de la "surface de non-contact" qui est formée.
Un élément de caractérisation de la structure poreuse c'est la surface par cm3.
Pour un silicagel ça peut tourner dans les 45 à 20m2/cm3 pour une zéolite ça peut monter à 400m2/cm3.
la formation d'une surface demande-t-elle de l'énergie thermique ?

Une autre façon -ménagère- de poser le problème est :
- lorsqu'un gamin fait une bulle de savon, comment évolue la température de la surface de la bulle (en dehors de la chaleur de l'air venant des poumons) ?
La température de la surface de la bulle a-t-elle tendance à s'élever ou à diminuer ?

Mais vous allez voir que c'est un phénomène très intéressant car vous vous rendez compte rapidement que vous déployez ou restreignez une surface comme c'est d'un stade de foot dans un tout petit volume...!!!Et ça ce n'est pas innocent !
@+

[Glycogène]

Sauf qu'il n'est pas allé jusqu'à la fin du papier de Rambaut qui donne des ordres de grandeur sur l'énergie extraite
@+

Si si, et on peut y lire :

Maximum amount of retrievable Energy
h 4
--------------------
8² c3

1.054 10^-34 (7.76 10^20 )4
----------------------------- Joule/m3
8² (3 10^8)3

1.79 10^22 Joule/ m3
1.79 10^16 Mega-Joule/ m3
4.48 10^15 kg HE/m3
4.48 10^12 Ton HE/ m3
4.48 10^6 Megaton HE/ m3

I.e., approximately for the « proposed device » : 4.48 Megatons/ cm3

But how to asses the efficiency of ZPE retrieving ?
In the case where one would use a 10^2 Amps current instead of 10^8 Amps, the limit of retrievable Energy is nevertheless :
4.48 Tons HE/ cm3
But, for a mean distance between electrons of 1.1 10^-9 m the frequency  would be 10^3 times lesser, and thus the maximum retrievable Energy would be 10^12 times lesser :
4.48 10^-6 Tons HE/ cm3

In another terms, it does’nt work.

It shows the great importance of a compact electron cluster

[GillesH38]

Une autre façon -ménagère- de poser le problème est :
- lorsqu'un gamin fait une bulle de savon, comment évolue la température de la surface de la bulle (en dehors de la chaleur de l'air venant des poumons) ?
La température de la surface de la bulle a-t-elle tendance à s'élever ou à diminuer ?

je dirai , à diminuer, puisque former une surface libre demande de l'énergie (les molécules en surface sont pas contentes de pas avoir de voisines avec qui interagir ...). C'est l'origine de la tension superficielle, qui tend à minimiser la surface libre justement (d'où les liquides qui se mettent en boule en apesanteur ...)

je suppose que c'est l'explication du phénomène : diviser le liquide en petite bulles microscopiques qui entrent dans les pores demandent à vaincre l'énergie de surface, ce qui est emprunté à l'énergie thermique et refroidit le système. Un liquide mouillant va récupérer une énergie de l'interaction avec le support, mais pas un liquide non mouillant (l'énergie d'interaction liquide-support étant inférieure à celle liquide-liquide).

[krolik]

@Glycogène.
A mettre en exergue la phrase finale : Ca ne fonctionne pas.. on a l'impression que vous avez compris que rien ne fonctionnait.. Alors que suivant le paragraphe les conditions de fonctionnement sont données..
Passons.

Pour en revenir à la création d'une surface.
Effectivement vous êtes près de la vérité. Avec cette précision, suivant le théorème de Gibbs sur l'énergie de surface, cette énergie ne dépend que de la température. En l'occurence l'expansion d'une surface de non contact se fera à température constante, mais nécessitera un apport d'énergie thermique, car déjà lorsque l'on souffle dans la bulle on apporte de l'énergie mécanique.
Cette opération de création de surface se fait à température constante, mais avec apport d'énergie thermique exactement comme une ébullition qui se fait à température constante mais qui nécessite un apport d'énergie thermique. C'est bien toujours dans le scope de travail des forces de Van Der Vaals.
En l'occurence s'il n'y a pas apport d'énergie thermique et que vous l'obligez mécaniquement et bien le système va prendre de l'énergie sur lui-même et la température de diminuer...
Cela explique au passage que les enfants feront de grosses bulles de savon par temps chaud, mais que cela ne fonctionnera pas par temps froid, pas d'apport d'énergie thermique par l'extérieur...

Mais l'intrusion d'un liquide non mouillant dans une structure nanoporeuse n'est pas assimilable à la formation de petites bulles indépendantes les unes des autres, car le phénomène est réversible, et si chaque nanovolume était indépendant le système ne serait pas réversible, chaque volume ignorant l'état du voisin. Il s'agit de la création d'une surface de non-contact continue !

Revenons à notre corps nanoporeux. Il se présente comme une poudre de quelques microns, max centièmes de mm.
Imaginons que j'en choisisse un, avec une porosité de 50% en volume.
Je prends un petit cylindre/piston de 1cm2 de section, j'y rentre 2cm3 de matériau plus un cm3 de liquide. je vais avoir à l'initla 3cm3 de volume. Je pourrais faire rentrer le cm3 de liquide dans les 2cm3 de volume poreux à 50%.
Le volume final après compression et avant la complète compression hydrostatique sera donc de 2cm3.
Le piston aura donc parcouru une distance de 1cm.
mais le liquide lui n'aura eu à parcourir dans les pores qu'une distance max de un ou deux microns au niveau de chaque grain de la structure.
Vous avez une réduction magistrale de la vitesse macro au niveau nano.
Alors cela a des applications étonnnante.
dans la mesure où vous choisissez une structure nanoporeuse dont tous les corps sont quasi-cylindriques. Dans un premier temps la pression va monter sans que le piston n'avance pratiquement. Puis une fois la pression de laplace d'intrusion du liquide atteinte vous allez avancer le piston à pression constante. Votre système se comporte alors en équlibre indifférent, c'est une ressort à raideur nulle.
Le comportement du système n'a rien à voir avec celui d'un amortisseur où l'on fait passer un liquide dans des sections d'étranglements.
Vous n'avee pas d'inertie intrinsèque du système, car la vitesse du liquide est tellement petite dans l'intrusion des pores que le nombre de Reynolds de l'écoulement est très très faible, donc vous vous moquez de la viscosité.
Ca se conduit comme un stockage d'énergie mécanique.
Vous pouvez stocker l'énergie mécanique à très faible vitesse et la restituer à très grande vitesse...
dans la mesure où la "science soviétique" était de s'intéresser à la fabrication d'armement, ils ont commencer à développer un fusil.
Cartouches (piston) réutilisable, pas de pollution par les cartouches vides. Pas d'explosion, pas de bruit, pas d'échauffement, pas de nécessite d'une culasse en acier, rien que du plastique ou de la fibre de carbone, bon stockage sans corrosion dans un marais, très pratique pour passer les contrôles en aéroports, . le fusil idéal pour snipper/terroriste. Le snipper comprime ses cartouches la journée avec une pompe à pied, et la nuit il tire..
Il fallait vraiment être versé dans la "science soviétique" pour avoir une telle idée de développement. Le modèle s'appelle "freska-ummo".

mais il y a d'autres applications. Lorsque vous voulez déployer des antennes de satellite dans l'espace, avec des ressort il y a toujours des ennuis, l'effort pratiqué par un ressort en bout de course est faible et c'est cette faiblesse qui fera que les antennes ne vont pas s'encliquer dans leur position finale, dans l'espace ça coïnce. Alors vous pouvez installer des petits "ressorts" comme cela. Au départ vous comprimez la cartouche avec un liquide qui fige à température ambiante, reste figé dans l'espage jusqu'au moment où vous le chauffez un peu... et là une belle force constante pendant tout le déploiement.

mais il y a bien d'autres applications, on verra la suite.
@+

[Raminagrobis]

Ce n'est pas très gentil que de se foutre de la gueule d'hendrik Casimir :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Hendrik_Casimir qui était un scientifique très sérieux et membre de l'Académie des sciences française.

mais krolik je connais parfaitement l'effet Casimir, et il ne s'agit aucunement d'une source d'énergie PAR CYCLE (ce qui est le propre d'une machine thermique.

si vous voulez la meilleure source d'énergie, le top du top, c'est de tout envoyer dans un trou noir en rotation rapide, on peut récupérer jusqu'à 40 % de l'énergie de masse, et sans aucun déchets, ça assure le nettoyage en même temps !

y a pu qu'à , hein ...

Ca c'est la classe. Non serulement on manquera jamais d'énergie, mais on peut expédier dedans les trucs dont on veut se débarasser (déchets nucléaires, produits toxiques impossibles à recycler, belles mères, témoins génants, etc)

[Glycogène]

@Glycogène.
A mettre en exergue la phrase finale : Ca ne fonctionne pas.. on a l'impression que vous avez compris que rien ne fonctionnait.. Alors que suivant le paragraphe les conditions de fonctionnement sont données..
Passons.

J'ai bien compris que théoriquement on peut tirer une énergie phénoménale !
Mais en pratique ?
Où sont les centrales électriques (ou de chauffage urbain) utilisant ce principe ?
Je crains fortement qu'il y ait qq "petits détails" (diable...) qui font que ce n'est pas possible, enfin c'est possible dans les limite de la conservation de l'énergie (c'est bien foutu quand même, il y a des petits détails qui viennent s'opposer à un beau mécanisme sur-unitaire dès qu'on s'approche trop de la limite de conservation de l'énergie).
Ou alors, montre moi une expérience où la somme de l'énergie en chaleur et en rayons gamma, générée par ce système, est supérieure à la somme de l'énergie injectée (explosif, électricité ou autre, je ne sais pas comment ça marche exactement).
N'hésite pas, il y a moyen d'avoir un Nobel vite fait avec ça !

mais il y a bien d'autres applications, on verra la suite.
@+

Il y a eu des projets de créer des amortisseurs pour les trains atterrissage, ça existe aujourd'hui ? (j'en avais entendu parler il y a plus de 15 ans).

[Raminagrobis]

Tenais, dans la catégorie armes absolue : John Wheeler (astrophysicien) a publié un calcul marrant.

Si on prend tout le deutérium des océans, et tout le lithium dispo sur tertre, pour faire une bombe H, elle peut être assez puissante pour compresser de la matière assez fort pour créer un trou noir, lequel avalerait la planète. Cette méthode permettrait donc d'obtenir un trou noir bien plus petit que la limite de chandrasekhar.

Cool non?

[GillesH38]

ah oui, je connaissais pas ce calcul ceci dit faut réduire toute la masse de la Terre à un rayon de quelques centimètres, c'est peut etre énergétiquement possible, mais y arriver concrètement c'est une autre paire de manches !

Remarque la limite de Chandrasekhar c'est pour la transition naine blanche -> étoile à neutrons (environ 1, 4 Masses solaires), la transformation EN -> trou noir se fait à une masse un peu supérieure, pas très bien connue d'ailleurs, entre 2 et 3 masses solaires, c'est la limite d'Oppenheimer-Volkoff. Avant de s'occuper de la bombe A, Oppenheimer était un brillant astrophysicien ...

[krolik]

Oh, vous savez les médailles ont déjà été distribuées il y a plus de 25 ans sur le sujet de la fluctuation dynamique de l'état électromagnétique du vide quantique. Ordre de Lénine. Alors de nouvelles récompenses ce serait difficile d'autant qu'avec le temps ils cassent leur pipe l'un après l'autre. Mais Gorbatchev dans son entretien avec Vedrine en avait un souvenir assez présent 20 ans après.
Maintenant si vous avez une idée pour une application civile de ce système pour produire de l'énergie... personne n'a jamais trouvé. mais l'aspect "Dual" de la question avait restreint les ardeurs.


Pour continuer sur le registre des structure nanoporeuse et liquides non-mouillants.
Effectivement en 1995 j'ai ramené pour essais en France un amortisseur de lacet du train d'atterrissage d'un Antonov 124, chez Messier pour le compte de Dassault.
Mais un amortisseur de lacets pour train avant ce n'est pas grand'chose, et en fait le silicagel silanisé utilisé n'avait pas la capacité énergétique suffisante avec de l'eau. Autrement les Russes utilisaient du mercure dans de nombreuses applications.. Mais définitivement le mercure ce n'est pas à utiliser.
Alors il a fallu faire un développement important en France.
Pour avoir un grand stockage d'énergie du type 100J/cm3, il fallait utiliser des pores très-très petits comme la zéolithe. mais la zéolithe est hydrophile, alors qu'il aurait fallu une zéolithe hydrophobe. Et c'est l'école de chimie de Mulhouse spécialisée dans ce genre de matériaux supports de catalyseurs qui s'y est collée, avec succès. mais cela a du prendre une bonne dizaine d'année.

D'autre part pour revenir à une application intéressante, on peut tout à fait envisager un moteur thermique fonctionnant sur un tel cycle :
- on chauffe le mélange liquide-solide poreux. La tension de surface du liquide diminue, il y a intrusion du liquide dans le solide..
- on refroidit le mélange, la tension de surface augmente le piston est éjecté..
On peut donc tout à fait envisager un moteur de type Stirling sur un tel cycle avec une source froide et une source chaude.
Le rendement du cycle est une chose intéressante, il n'est pas très bon, mais plus les températures des sources chaude et froide se rapprochent, plus on se rapproche du rendement de Carnot.
Si vous voulez faire une machine thermique avec un cycle à l'alcool avec une source froide à l'ambiante et une source chaude très dégradée dans la centaine de degrés, Carnot vous dira max dans 20% et dans la réalité du cycle si vous obtenez 3% ce sera déjà très bien.
Dans le cas d'une centrale nucléaire le rendement de Carnot théorique est de l'odre de 50%, mais dans la pratique il se situe à 33% même en améliorant au mieux le cycle de Hirn.
Dans le cas d'un Stirling fonctionnant sur le non-mouillage dans la pratique on doit atteindre 42-43%.. ce qui améliorerait de 70% le rendement d'une centrale nucléaire..
Lorsque l'on est allé proposer cela à l'ADEME comme sujet de développement, on s'est fait jeter.. Dès que l'on prononce le mot "nucléaire" ils jettent sans chercher un instant à comprendre.. fabuleux..!
mais vous voyez, faire une recherche pour diminuer de 30à 40% le nombre de centrales nuc, c'est bien lutter contre la nucléophilie !

mais je pourrais revenir et expliquer un peu mieux les conditions de fonctionnement "amortisseur". A moins que d'autres qui connaissent déjà le système ne le fassent.
@+

[Remundo]

très subtil Krolik,

aussi bien l'exposé des faits scientifiques que l'approche avec l'ADEME

[krolik]

En ce qui concerne l'effet "ressort", il faut bien se rendre compte que pour le stockage de l'énergie c'est très intéressant, car l'énergie emmagasinée est proportionnelle directement à la différence des pressions d'intrusion et d'extrusion. Alors qu'habituellement si l'on veut stocker de l'énergie par compression de gaz, l'énergie emmagasinée est proportionnelle au logarithme du rapport des pression. Et là on change la donne complètement.

Pour obtenir l'effet "amortisseur", et bien il faut une structure poreuse faite d'une succession de petits diamètres et de grands diamètre.
Lorsque vous avez l'intrusion forcée du liquide et bien la pression de Laplace est fixée par les petits diamètres. Et lorsque l'on lâche le système la pression d'extrusion va être fixée par le diamètre du ménisque sur le plus grand diamètre. En général il y a un rapport de 1 à 10 entre les deux pressions. Et là on obtient un effet d'amortissement :
- force d'amortissement indépendante de la vitesse d'intrusion du liquide, ce qui n'est pas le cas des amortisseurs habituels qui fonctionnent sur la viscosité.. Si vous appliquez un choc très rapide sur un amortisseur habituellement vous pouvez le faire exploser d'une part, et si vous voulez amortir une oscillation très lente et bien vous n'amortissez rien du tout puisque la viscosité dynamique est bien trop faible.
- amortissement de 90% de l'énergie en une seule compression alors qu'un amortisseur hydraulique au mieux amortira 30% de l'énergie.

Les Russes ont poussé le bouchon très loin puisqu'ils sont arrivé à faire un essai concluant du largage d'un char monté sur tel châssis amortisseur depuis un Antonov 124. Et le char (sans occupant) étant en état de rouler et de combattre ensuite.. Enfin la dinguerie habituelle militaire des Soviets..
la première fois que j'ai vu une démo à Kiev on m'a présenté un mouton-pendule utilisé habituellement pour faire des essais de résilience sur barreaux métalliques, qui choquait sur un mini amortisseur qui tenait dans la main sans problème. Et le mouton-pendule ne rebondissait pas, il tombait et s'arrêtait illico. C'était contre tout ce que j'avais appris et tout ce que j'avais manipé auparavant !!

Actuellement il y a un labo qui travaille sur toutes ces applications thermodynamiques de nanomatériaux à l'X-Palaiseau.

@+