Transformations d'energies controlées par instabilités magnetohydrodynamiques - de l'astrophysique aux applications industrielles – MagnetDrive

L'ANR est basée sur une combinaison étroite entre expériences de laboratoires novatrices et modélisation numériques associées.

1) Expériences GAMIN, KEPLER, et thermoélectricité:

Une colonne de métal liquide est soumise à de forts courant axiaux et des champs magnétiques intenses, permettant le déclenchement de l’instabilité de Tayler, de l'instabilité MRI ou la génération de turbulence MHD;

Dans certains cas, on étudie interface métal-métal (annulaire) avec injection de courant et champ externe lorsque l'expérience est remplie avec deux métaux liquides différents.

Instrumentation : dans ces expériences, on utilise des capteurs capacitifs et de vélocimétrie doppler ultrasonores pour accéder à la vitesse et à la position de l'éventuelle interface. On mesure la vitesse du fluide avec des sondes de potentiel et Doppler, le champ magnétique à l'aide de sondes a effet Hall, et des mesures de temperatures et de flux thermiques .

2) Thermo-acoustique : etude expérimentale des couplages entre onde sonore et gradient thermique menant à un transport efficace de la chaleur en l'absence de gravité, essentiellement des mesures de flux et de variations de températures. Couplées à des mesures d'écoulement par effet Schlieren.

3) MICRO-Gravité : campagnes ondes capillaires en micro-gravité pour isoler les non-linéarités d’onde et la turbulence de surface.

4) VORTEX/ONDES : analyses dispersionnelles et diagnostics spatio-temporels (spectres 2D k–f) des ondes de Kelvin guidées par vortex.

5) MODÉLISATION :

a) En utilisant le code Parody-JA-SHTNS, on modélise les couches radiatives des étoiles en rotation rapide, permettant d'évaluer et d'étudier leurs champs magnétiques et leur ralentissement.

(b) géodynamo avec stratification stable et conductivité variable,

(c) océan d’Europe couplé au champ jovien (signatures magnétique-induites),

(d) post-traitement des bilans d’énergie et lois d’échelle.

Astrophysique & géosciences

1) Étoiles radiatives : Le projet ANR a permis de mieux comprendre comment la présence d'un champ magnétique engendre une violente instabilité (l'instabilité de Tayler) qui convertir massivement de l'énergie magnetique en mouvement turbulent, qui explique alors le ralentissement spectaculaire observé dans certaines étoiles.

Typiquement :

(i) spin-down par action dynamo (Science 2023) ;

(ii) Tayler–Spruit en couches radiatives (A&A 2024) ;

(iii) transition sous-critique déclenchée par dynamo (PRFluids 2023).

2) Lunes : On étudie là-encore comment l'énergie magnétique fournie par le champ de Jupiter est convertie en enraie cinétique, permettant l'emergence de courants océaniques profond qui permettent de modifier en profondeur le transport de chaleur et la géologie des lunes de Jupiter. Articles:

(i) jet équatorial magnétique d’Europe (Nature Astronomy 2019)

(ii) contrainte nouvelle sur l’épaisseur de la glace d’Europe via signatures océaniques magnétiques (Icarus 2025).

3) Planètes: Mieux comprendre la dynamiques des champs magnétiques planétaires:

i) renversements dans un modèle avec couche stable (soumis 2025) ; (ii) croissance de dynamo accrue en milieux à conductivité non-homogène (PRE 2021).

4) Vortex/ondes : preuves expérimentales d’ondes de Kelvin le long d’axes de vortex (soumis 2025), pertinence pour la dynamique interne de tornades et écoulements tourbillonnaires.

5) L'expérience Kepler a permis de reproduire le mécanique de transport de moment cinétique dans les disques d'accretions autour des trous noirs et des proto-étoiles, considéré comme l'une des pierre angulaire de la formation stellaire.

(i) Présentation de l'expérience Kepler et des régimes de turbulence 2D(JFM 2021)

(ii) modélisation expérimentale d'un disque d'accretion et observation du régime de transport de Kraichnon prédit en 1962 (PRL 2022)

Énergie & industrie

6) Thermoélectricité liquide liquide : mise en évidence/quantification à l’interface Ga/Hg (PNAS 2024), ouvrant la voie à plusieurs types de nouvelles technologies (startup en cours de développement)

7) Thermoacoustique : refroidissement par streaming baroclinique (PR Applied 2021).

8) Batteries à métaux liquides (GAMIN) : démonstration expérimentale de l’instabilité de Tayler dans une colonne de métal liquide sous courant axial fort (résultats de labo, thèse soutenue, article en préparation) ; capteurs d’interface et stratégies d’atténuation transposables LMB.

9) Micro-gravité : turbulence d’ondes capillaires (EPL 2020) comme banc de test des transferts non-linéaires pertinents pour surfaces libres sans gravité.

Synthèses/positionnement

– Revue laboratoire des disques MHD (C. R. Physique 2024) pour situer nos expériences dans le panorama astro-laboratoire.

– Série cohérente d’articles 2019–2025 reliant transitions/instabilités, transports, et signatures observables du laboratoire (métaux liquides, thermo) aux systèmes naturels (étoiles, géodynamo, Europe).

1. Contrôle d’instabilités pour LMB : cartographier le seuil/saturation de Tayler en géométries industrielles ; optimiser, obtenir les spectres de courant, effet de champs magnétiques transverses ; intégration capteurs d’interface pour opération robuste.

2. Conversion d’énergie : architectures thermoélectriques métal-métal (effet Seebeck interfacial) et thermoacoustiques pour refroidissement et récupération ; couplage avec diagnostics calorimétriques. Développement d'un prototype dans le cadre d'une startup.

3. Astro/Géo : relier les lois d’échelle obtenues aux modèles d’étoiles radiatives, aux renversements géomagnétiques, et aux inversions de données pour Europe (missions spatiales).

4. Vortex/ondes : étendre la physique des ondes de Kelvin à des régimes plus réalistes (turbulence ambiante, non-linéarités fortes, réseaux de vortex), y compris pertinence météorologique (tornades) et ingénierie (mélange contrôlé).

5. Transversal : bilans énergétiques clos (ohmique/visqueux) et bornes d’efficacité pour la conversion magnétique→cinétique, transférables des expériences aux modèles.

La conversion d’énergie électromagnétique en énergie cinétique par un fluide électriquement conducteur est un phénomène omniprésent que l'on peut trouver dans plusieurs systèmes naturels ainsi que dans de nombreuses applications industrielles.
Dans la nature, les disques d’accrétion de matière autour des trous noirs et des proto-étoiles sont un exemple typique dans lequel une énorme quantité d’énergie cinétique est produite à partir de champs magnétiques puissants. De même, de nombreux systèmes industriels impliquent un métal liquide soumis à des courants électriques ou des champs magnétiques externes, parmi lesquels on peut citer les batteries à métaux liquides.
Malgré l'importance de ces applications, plusieurs aspects de la dynamique des écoulements entrainés magnétiquement restent encore mal compris. Un problème majeur consiste à identifier les mécanismes qui limitent l'efficacité maximale de la transformation d'énergie magnétique en énergie cinétique en présence de turbulence. Fait intéressant, cette efficacité dépend presque toujours d'instabilités de l’écoulement qui se produisent dès que la taille du système et/ou l'amplitude des courants deviennent suffisamment grandes. L'origine même de telles instabilités n'est pas entièrement comprise.
L’objectif de ce projet de recherche est double: premièrement, nous voulons élucider certains de ces aspects majeurs par des expériences de laboratoire originales, liées par une question simple: pourquoi, comment et dans quelles circonstances les instabilités interviennent-elles dans la conversion d’énergie dans des écoulements conducteur de l’électricité? Nous visons donc à coordonner des efforts théoriques, numériques et expérimentaux afin d’identifier les mécanismes généraux impliqués dans de telles instabilités et élargir considérablement notre compréhension de la dynamique de ces écoulements.
Deuxièmement, ce projet est étroitement lié à des applications industrielles et astrophysiques, telles que la turbulence interstellaire et les batteries à métal liquide. Un des objectifs du projet est précisément de combler le fossé entre la physique fondamentale et les motivations industrielles. Pour mener à bien ces tâches, notre projet de recherche est divisé en deux parties ayant leurs propres intérêts et objectifs, mais étroitement liées par les questions générales soulevées ci-dessus.