François Amiranoff : créer des étoiles en laboratoire

Quand François Amiranoff vous parle des recherches de son laboratoire, vous perdez pied. Il vous emmène des étoiles aux électrons en quelques picosecondes. Interview avec le directeur du LULI, le laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (CNRS, École Polytechnique, CEA, UPMC).

Vos recherches sont basées sur l'utilisation de lasers. Quel est l'intérêt de ces instruments ?

Les lasers sont les instruments les plus puissants qui existent. En quelques nanosecondes ou picosecondes (10-12 s), ils délivrent une quantité incroyable d'énergie. Et cela sur de minuscules cibles, de l'ordre de quelques microns. Les lasers permettent ainsi de porter de la matière à des conditions de température et de pression extrêmes, telles que celles qui règnent au coeur des étoiles ou au centre des planètes. Sous ces conditions, la matière se transforme en plasma. Les recherches au sein de notre laboratoire sont principalement dédiées à la physique de ces plasmas.

Plasmas... Comme les écrans à plasma ?

Oui, sauf qu'au LULI nous étudions les plasmas chauds. Les écrans à plasma, mais aussi les tubes néons, sont des plasmas froids.

Le plasma, c'est le quatrième état de la matière. Quand on chauffe un solide, on obtient du liquide, puis du gaz. Si on chauffe encore, les électrons qui gravitent autour des noyaux se séparent. On obtient alors des ions qui baignent dans une soupe d'électrons. Le plasma, c'est l'état de cette matière plus ou moins ionisée.

Dans l'atmosphère terrestre, le rayonnement solaire et la foudre peuvent ioniser des molécules. Mais sur Terre, ces plasmas sont un état exotique. Au contraire de l'univers ! La quasi-totalité de l'univers --99%-- est à l'état de plasma. Les plasmas intéressent donc tout naturellement les astrophysiciens. Pour prévoir comment la matière qui résulte de l'explosion d'une étoile va réagir avec le milieu interstellaire, il est nécessaire de comprendre la physique des plasmas.

La physique des plasmas est-elle très différente de la physique traditionnelle ?

Énormément. On a en effet affaire à des particules ionisées qui sont à l’origine de champs électriques et magnétiques, et qui sont sensibles à ceux-ci.

Lorsqu'une particule neutre traverse l'atmosphère, elle ne voit pas le champ magnétique terrestre. Elle tombe plus ou moins verticalement. Au contraire, lorsqu'un plasma traverse l'atmosphère, il va être bloqué par le champ magnétique et va se diriger vers les pôles, provoquant en particulier le phénomène des aurores boréales.

Les plasmas génèrent eux aussi des champs électriques et magnétiques. Des champs qui peuvent être si intenses quand ils sont produits par laser qu’ils peuvent jouer un rôle dominant dans l’évolution du milieu et conduire également à l’accélération de particules à très forte énergie sur de très courtes distances.

Existent-ils des applications à ces ''supers'' plasmas ?

Des applications fantastiques ! Car lorsque la matière est à l'état de plasma, les noyaux des atomes ionisés peuvent s'assembler. On parle de fusion thermonucléaire. C'est ce qui se passe au coeur des étoiles. L'un des objectifs de notre communauté est de réaliser la fusion de deux atomes d'hydrogène en un atome d'hélium afin de produire de l'énergie. C'est aussi l'ambition du projet ITER. Dans ITER, la fusion se réaliserait par ''confinement magnétique''. Ce que nous testons, c'est une autre voie : la fusion par ''confinement inertiel par laser''. La fusion des noyaux d'hydrogène serait alors obtenue en utilisant des lasers de très forte puissance.

Ce domaine de recherche est en pleine expansion. La spécialité Sciences de la fusion du master Physique et applications de l'UPMC est d'ailleurs dédiée à ce thème. Coordonnée par des enseignants-chercheurs UPMC de LULI, cette spécialité nationale ouvre de nombreux horizons professionnels aux étudiants, notamment dans les projets internationaux comme ITER ou HiPER.

Au LULI, nous n'ambitionnons pas de faire de vraies expériences de fusion thermonucléaire. Mais nous participons à comprendre la physique qui intervient dans ces expériences. Nous pouvons étudier les mécanismes avec une souplesse plus importante que dans les grosses installations, comme le laser MégaJoule de Bordeaux. Notre créneau, c'est d'avoir des installations à la fois polyvalentes, flexibles et fiables qui permettent de réaliser de façon suffisamment souple un grand nombre d'expériences sur des thèmes variés.

Vos installations n'intéressent d'ailleurs pas que les chercheurs de LULI...

Chaque année, nous accueillons en effet une petite centaine de visiteurs – des français, des européens, des américains... – qui viennent réaliser des expériences sur nos installations lasers et nos équipements expérimentaux associés. Nous sommes reconnus comme une installation nationale et européenne pour l'étude des plasmas créés par laser. Nos installations énergétiques sont les plus puissantes, au niveau civil, en France. En  Europe, elles complètent les quelques installations équivalentes, en Grande Bretagne surtout, mais aussi en République Tchèque et en Allemagne.

Afin d'améliorer nos installations et préparer les lasers du futur, nos chercheurs et ingénieurs  travaillent au développement de la technologie laser, notamment du laser LUCIA qui pourrait servir au développement des composants de base des futurs lasers européens HiPER et ELI. ELI sera 1000 fois plus puissant que le laser MégaJoule de Bordeaux ou que le NIF des États-Unis. La France est candidate pour accueillir cette installation estimée à plus de 300 millions d'euros sur le plateau de Saclay. En plus des apports en physique fondamentale, les applications potentielles de ce projet sont vastes, notamment dans le domaine médical, avec la création de sources de particules qui pourraient être utilisées en thérapie du cancer ou de rayonnement pour l'imagerie des molécules biologiques.

En savoir plus

Article : « Fusion nucléaire : HIPER contre ITER », Journal de l'innovation

Vidéo : Les enjeux sociétaux du futur laser européen ELI présentés par François Amiranoff

François Amiranoff
Copyright : Philippe Lavialle, photographe à l'Ecole Polytechnique.