Dans le cadre de la formation par extrusion des cibles d’hydrogène solide pour l’étude de l’interaction laser-matière (projet ELISE du Service des basses températures de notre institut), l’hydrogène solide subit de très grandes déformations. Les propriétés mécaniques de l’hydrogène solide ne sont pas très bien connues ; seulement trois études abordent le sujet et toutes sont incohérentes entre elles [1]. De fait, il est impossible de modéliser la fabrication des cibles et les données empiriques sont inefficaces pour prédire les conditions d’obtention de cibles d’épaisseurs ou de formes différentes. C’est pourquoi nous avons conçu un appareil permettant la caractérisation des grandes déformations de l’hydrogène solide : APRYL.
Cette caractérisation est délicate à réaliser pour deux raisons :
1. Le comportement de l’hydrogène solide est à mi-chemin entre celui d’un solide mou et celui d’un fluide très visqueux ; l’étude de ses déformations consiste donc en une étude de son écoulement (sa rhéologie).
2. L’hydrogène se solidifie à des températures très basses (moins de 14 kelvins à pression ambiante) et sa formation fait appel à la cryogénie.
APRYL vise à reproduire un essai de Couette : une roue crantée immergée dans l’hydrogène solide est mise en rotation et l’on mesure le couple vitesse de rotation /couple résistant. La vitesse de rotation correspond au taux de cisaillement (i.e. la vitesse à laquelle les couches de matières glissent les unes sur les autres) et le couple résistant correspond à la résistance mécanique du matériau. Ces mesures sont répétées pour différentes vitesses, différents couples et différentes températures. Cela nous permet d’obtenir une série de rhéogrammes (diagrammes taux de cisaillement vs contrainte) et de remonter à la viscosité équivalente de l’hydrogène solide. La société Rhéonova, spécialiste en études rhéologiques, a été consultante pour la conception de cet appareil unique en son genre.
Durant le mois de mars 2018, ces mesures ont été réalisées par le Service des basses températures et une approche de la loi de déformation de l’hydrogène solide a pu être formulée. Cette loi est cohérente avec les quelques données de la littérature scientifique citée ci-dessus et les approfondit pour des intervalles de température et de vitesse plus grands. D’autres méthodes de mesures sont en cours de réalisation pour valider cette loi et améliorer la modélisation.
Cet appareil de caractérisation, réalisé pour l’hydrogène solide, peut très bien être utilisé avec d’autres solides cryogéniques tels que le deutérium ou le néon. Cette méthode de caractérisation pourrait être également adaptée pour la caractérisation de n’importe quel solide cryogénique (hélium, azote, oxygène, ...), bien qu’aucune étude ultérieure ne soit prévue pour le moment.
Vue de près du flux de ruban d'hydrogène solide de la buse ELISE.