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"Le plasma froid pourrait transformer les fermes durables du futur : comment le quatrième état de la matière peut rendre une serre plus verte et stimuler la croissance des plantes ?" par Stephen Ornes

Traduction et compléments de Jacques Hallard

lundi 20 septembre 2021, par Ornes Stephen


ISIAS Physique Biologie Agriculture Plasma froid

Le plasma froid pourrait transformer les fermes durables du futur : comment le quatrième état de la matière peut rendre une serre plus verte et stimuler la croissance des plantes ?

Ajout d’une annexe sur les plasmas froids

Traduction du 12 septembre 2021 par Jacques Hallard - avec Ajout d’une annexe sur les plasmas froids – d’un article de Stephen Ornesen en date du 08/09/2021 publié par ‘sciencenews.org’ sous le titre « Cold plasma could transform the sustainable farms of the future  » ; accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/cold-plasma-agriculture-sustainable-farms-fertilizer - Photo

Le physicien Stephan Reuter de ‘Polytechnique Montréal’ passe la plupart de ses journées à utiliser son expertise en matière d’énergie et de matière pour améliorer les technologies médicales. Cependant, il s’est récemment retrouvé dans un ensemble de verdure pour examiner comment une pluie de particules chargées pourrait affecter les plantes de laitue.

Il avait été invité dans l’une des plus grandes serres commerciales du Québec pour aider les cultivateurs à repenser l’énergie dans l’agriculture. À l’intérieur du bâtiment, entouré de murs de verre et couvrant plus de surface que quatre terrains de football, des milliers et des milliers de plants de laitue flottaient sur des tapis de polystyrène dans un système de culture hydroponique, ou sans sol. La récolte était presque prête à être cueillie, emballée et expédiée. La tâche de Stephane Reuter était d’utiliser la physique pour aider l’entreprise, ‘Hydroserre Inc.’ à Mirabel au Québec Canada, à réduire son empreinte carbone. Voir [Hydroserre inc. | Profil de l’entreprise | jobillico.com ].

À cette fin, l’entreprise souhaite trouver de nouvelles façons de lutter contre les agents pathogènes et d’apporter des engrais aux plantes en croissance. De nombreux engrais contiennent de l’ammoniac, qui est produit à partir de l’azote (nécessaire à la croissance des plantes) et de l’hydrogène par une réaction chimique appelée le procédé Haber-Bosch. Ce procédé a révolutionné l’agriculture au début du XXe siècle en rendant possible la production massive d’engrais. Cependant, le processus produit des centaines de millions de tonnes de dioxyde de carbone chaque année.

[Note Wikipédia - Histoire du procédé Haber-Bosch - Photo - L’un des appareils de laboratoire qu’utilisa Fritz Haber pour synthétiser de l’ammoniac sous haute pression.

L’histoire du procédé Haber-Bosch débute avec l’invention du procédé de chimie homonyme à l’aube du XXe siècle. Le procédé Haber-Bosch permet de fixer, de façon économique, le diazote atmosphérique sous forme d’ammoniac, lequel permet à son tour la synthèse de différents explosifs et engrais azotés. À ce double titre, du point de vue démographique, c’est probablement le plus important procédé industriel jamais mis au point durant le XXe siècle1,2.

Bien avant le début de la révolution industrielle, les agriculteurs qui « engraissent la terre » de différentes façons, savent les bénéfices d’un apport de nutriments essentiels à la croissance des plantes3. Les travaux de Justus von Liebig permettent, dans les années 1840, d’identifier l’importance de l’apport en azote à cette fin4. Par ailleurs, ce même composé chimique pouvait déjà être transformé en acide nitrique, précurseur des poudres pyroxylées et de puissants explosifs tel que le TNT et la nitroglycérine5. Cependant, s’il est alors connu que l’azote constitue une part dominante de l’atmosphère terrestre7, la chimie minérale n’a pas encore établi de procédé pour le fixer.

Ainsi, lorsqu’en 1909 le chimiste allemand Fritz Haber parvient à fixer l’azote atmosphérique en laboratoire8,9, sa découverte présente à la fois un intérêt militaire, économique et agricole. Aussi n’est-il pas surprenant qu’en 1913, à peine cinq ans plus tard, une équipe de recherche de la société BASF dirigée par Carl Bosch mette au point la première application industrielle des travaux d’Haber : le procédé Haber-Bosch10,11. Ce procédé servira de modèle, à la fois théorique et pratique, à tout un pan de la chimie industrielle moderne, la chimie à haute pression12,13.

La production industrielle d’ammoniac prolonge la Première Guerre mondiale en fournissant à l’Allemagne le précurseur des poudres modernes sans fumée et d’explosifs nécessaires à son effort de guerre, alors même qu’elle n’a plus accès aux ressources azotées traditionnelles, principalement exploitées en Amérique du Sud14. Durant l’entre-deux-guerres, la synthèse, à moindre coût15,16, d’ammoniac à partir du réservoir quasiment inépuisable que constitue l’azote atmosphérique17 contribue au développement de l’agriculture intensive et soutient la croissance démographique mondiale. Lors de la Seconde Guerre mondiale, les efforts d’industrialisation du procédé Haber profitent largement au procédé Bergius, lequel permet à la société IG Farben de réaliser la synthèse de carburant pour le compte de l’Allemagne nazie, réduisant d’autant ses importations pétrolières.

Au début du XXIe siècle, l’efficacité du procédé Haber-Bosch (et ses analogues) s’est améliorée au point qu’il répond à plus de 99 % de la demande mondiale d’ammoniac synthétique, laquelle s’élève alors à plus de 100 millions de tonnes par an. Les engrais azotés synthétiques qui en sont dérivés, tels l’urée et le nitrate d’ammonium, sont l’un des piliers de l’agriculture industrielle et sont devenus essentiels à l’alimentation d’au moins deux milliards de personnes15,18. Les installations industrielles mettant en œuvre ce procédé ont un impact écologique important. De plus les engrais azotés synthétiques sont consommés à grande échelle et la moitié de l’azote ainsi apporté n’est pas assimilé par les plantes. Ils se retrouvent alors dans les cours d’eau ainsi que dans l’atmosphère terrestre sous la forme de composés chimiques instables12,13… » - Lire l’article complet à la source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_du_proc%C3%A9d%C3%A9_Haber-Bosch ].

Suite du document traduit

’Idéalement, nous voulons un engrais qui soit ‘renouvelable’’, explique Stephan Reuter. Et pour qu’il soit vraiment écologique, il devrait être créé à la ferme, ce qui rendrait le transport, autre émetteur de carbone, inutile. Stephan Reuter et un nombre croissant de chimistes, de physiciens et d’ingénieurs pensent pouvoir trouver un moyen d’y parvenir. Ces chercheurs travaillent à l’élaboration de futures fermes véritablement durables, où l’énergie provenant de sources renouvelables comme le vent ou le soleil serait exploitée pour fabriquer un engrais efficace sur place. Ils espèrent réaliser cette vision en exploitant le plasma.

[Voir notre annexe ici]

Du plasma partout

Stephan Reuter pourrait sembler être un consultant improbable pour un défi agricole. Après tout, il est spécialisé dans la physique du plasma, l’un des quatre états fondamentaux de la matière, avec les solides, les liquides et les gaz.

Le plasma est remarquablement commun. En fait, la plupart des matières observées dans l’univers connu - plus de 99,9 %, selon les astrophysiciens - sont à l’état de plasma. Les éclairs produisent du plasma. Il en va de même pour les lampes bon marché que l’on trouve dans les boutiques de musées. Allumez la lampe et une électrode située au centre de la sphère produit une haute tension qui interagit avec le gaz scellé à l’intérieur du verre pour former des vrilles de plasma coloré qui rayonnent vers l’extérieur. Touchez le verre, et les vrilles de plasma semblent atteindre vos doigts.

Le soleil est une boule de plasma et de gaz. Le vent solaire est un flux de plasma qui se détache du soleil (SN : 12/21/19 & 1/4/20, p. 6). Lorsque ce vent entre en collision avec le coussin magnétique protecteur, riche en plasma, qui enveloppe la Terre, les interactions produisent des rivières de lumière que l’on voit dans les aurores boréales et australes.

Le plasma est également une bête de somme de la technologie moderne. Les ingénieurs l’utilisent pour graver les millions de minuscules transistors qui se trouvent sur les puces des ordinateurs, des voitures et des cartes musicales d’anniversaire d’aujourd’hui. Les pixels des téléviseurs à plasma contiennent du gaz qui forme un plasma, enfermé dans de minuscules cellules prises en sandwich entre deux plaques de verre, et les enseignes au néon et les lampes fluorescentes brillent grâce au plasma. Certains anciens astronautes prédisent même que les moteurs à plasma nous propulseront un jour sur Mars.

Mais qu’est-ce que le plasma exactement ? C’est une soupe d’électrons avec leurs charges négatives, d’ions positifs et d’atomes neutres qui produit également des champs électromagnétiques et des rayonnements ultraviolets et infrarouges. Le plasma se forme lorsqu’un gaz est super énergisé - par la chaleur ou un courant électrique, par exemple - et que des électrons sont libérés des atomes.

Les plasmas peuvent être produits naturellement ou par l’homme. Lorsqu’ils sont produits par des températures élevées, comme dans le soleil, on parle de ’plasma chaud’, tandis que le plasma créé dans une boule à plasma et dans d’autres environnements à température ambiante et à basse pression, est appelé ’plasma froid’.

Les boules de plasma sont faciles à voir : elles sont remplies d’un mélange gazeux comprenant l’un des gaz nobles très stables, comme l’argon, le xénon, le néon ou le krypton. Le plasma constitue ces vrilles lumineuses qui partent du centre. Le courant à haute fréquence excite des électrons qui se séparent ensuite des atomes du gaz. De nombreuses expériences agricoles comprennent un mélange de gaz rares et d’air pour produire des ions d’azote et d’oxygène.

Image à consulter- Vous vous souvenez de ces boules de plasma hypnotiques ? Le petit éclair à l’intérieur est du plasma, qui se forme lorsqu’une haute tension au centre de la boule provoque la séparation des électrons des atomes du gaz environnant, produisant un mélange de particules chargées et neutres. Chocolateoak/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps aux implications biologiques du plasma. À la fin du XIXe siècle, le physicien finlandais Karl Selim Lemström a observé que la largeur des anneaux de croissance des sapins près du cercle polaire suivait le cycle des aurores boréales, s’élargissant lorsque celles-ci étaient les plus fortes. Il a émis l’hypothèse que ce spectacle lumineux favorisait en quelque sorte la croissance des plantes. Pour reproduire artificiellement les aurores boréales, il a placé un filet métallique au-dessus des plantes en croissance et a fait passer un courant électrique à travers celui-ci. Dans les bonnes conditions, a-t-il rapporté, le traitement a permis d’obtenir de meilleurs rendements de légumes.

Depuis des décennies, les scientifiques savent que l’exposition au plasma peut tuer sans danger les bactéries, les champignons et les virus pathogènes. De petites études sur des animaux suggèrent également que le plasma peut favoriser la croissance des vaisseaux sanguins dans la peau. Dans le cadre de ses recherches, Stephen Reuter étudie les moyens d’exploiter ces propriétés pour inhiber les nouvelles infections dans les plaies, accélérer la cicatrisation ou traiter d’autres affections cutanées. Mais plus récemment, lui et d’autres physiciens ont travaillé sur les moyens d’utiliser la puissance du plasma pour améliorer la production alimentaire.

Les expériences menées depuis une dizaine d’années ont testé diverses façons d’appliquer le plasma aux graines, aux semis, aux plantes et dans les champs. Il s’agit notamment de plasma généré à l’aide de gaz nobles, ainsi que de plasma généré à partir de l’air. Dans certains cas, le plasma est appliqué directement par des ’jets’ de plasma qui passent au-dessus des graines ou des plantes. Une autre approche consiste à utiliser de l’eau traitée au plasma qui peut faire double emploi : irrigation et fertilisation. Certaines études ont fait état d’une série d’avantages, allant de l’aide apportée aux plantes pour qu’elles poussent plus vite et plus résistantes aux parasites.

’Même à ce stade très, très précoce de la recherche sur le plasma, qui ne s’est vraiment imposé qu’au cours des 10 à 15 dernières années, nous obtenons des données très prometteuses’, déclare le phytopathologiste Brendan Niemira, de l’unité de recherche sur la sécurité alimentaire et les technologies d’intervention du centre de recherche régional de l’Est, au ministère américain de l’agriculture, à Wyndmoor, en Pennsylvanie. Il est un adepte de cette approche : Sur ‘Zoom’, l’avatar de Niemira montre une amande baignant dans une étrange lueur de plasma violet.

Selon lui, le défi consiste maintenant à déterminer si le plasma peut être utilisé au niveau d’hectares de plantes en cultures. ’Pouvons-nous le faire fonctionner dans un environnement de terrain [pour] offrir un avantage qui pourra être intégré dans les systèmes et itinéraires de culture à l’avenir ?’

Ce défi en comporte beaucoup d’autres, notamment trouver un moyen d’administrer le plasma aux plantes à grande échelle, confirmer les avantages signalés dans les études de laboratoire et montrer que le plasma est meilleur que les méthodes actuelles. Et, enfin, déterminer ce que la ‘soupe’ chargée du plasma fait réellement aux plantes.

Selon M. Niemira, les progrès récents ont été possibles en grande partie parce que, dans les années 1990 et au début des années 2000, les scientifiques ont mis au point des moyens efficaces et rentables de générer des plasmas froids en injectant des électrons à haute énergie dans un gaz. Ces électrons entraient en collision avec les molécules du gaz, arrachant des électrons et produisant des particules chargées. Depuis lors, explique-t-il, on s’est empressé de tester le plasma sur des plantes à tous les stades de leur croissance et avec toute une série de stratégies.

Deux voies de recherche

Les chercheurs étudient une série d’avantages potentiels du plasma pour l’agriculture. Certaines études suggèrent que le plasma stimule la croissance et le rendement des plantes. D’autres montrent que le plasma pourrait également jouer un rôle dans la conservation des aliments en éliminant les bactéries et les champignons pathogènes à la surface des plantes.

Comment l’agriculture plasmatique peut stimuler les plantes

Pré-récolte : Amélioration de la croissance - Stérilisation des semences - Dépollution des sols.

Post-récolte : Conservation des aliments - Traitement des aliments

Source : P. Attri et al/Processes 2020

Modifications des surfaces

L’une des utilisations les plus attrayantes du plasma, selon Stephen Reuter, est celle de fertilisant alternatif à l’usage de l’ammoniac. Son plan pour le projet de serre de Mirabel, qu’il a contribué à lancer au printemps 2021 avec des scientifiques de l’IRDA (Institut de recherche et de développement en agroenvironnement), un organisme québécois à but non lucratif, est le suivant : le plasma est généré en envoyant un courant électrique à travers un gaz qui, idéalement, n’est que de l’air. Ce processus crée un mélange de particules chargées et neutres, notamment des électrons et des ions, qui peuvent produire des espèces réactives d’azote et d’oxygène. Dans le cadre d’expériences sur table, puis en serre, Stephen Reuter et ses collègues enrichiront l’eau avec du plasma, puis étudieront s’il peut réduire les agents pathogènes et stimuler les plantes en croissance.

Les espèces réactives, comme leur nom l’indique, sont prêtes à réagir avec les atomes et les molécules, y compris dans les êtres vivants, et sont biologiquement disponibles pour les plantes. Lorsque le plasma est ajouté à l’eau, ces espèces réactives se dissolvent. L’eau infusée au plasma qui en résulte, avec son azote biologiquement disponible, sera ensuite utilisée pour irriguer les plantes. Elle fera le même travail que l’ammoniac : l’azote, dont les plantes ont besoin pour leur croissance, est livré sous forme d’ions, de molécules excitées et de composés dans l’eau. Alors que de fortes doses d’espèces réactives peuvent nuire aux cellules végétales ou à l’ADN, il a été démontré que la quantité présente dans l’eau traitée au plasma est sans danger pour la plante, explique Stephen Reuter.

Pour les tests à petite échelle, le physicien Stephan Reuter et ses collègues utilisent une installation comme celle qui présentée sur cette image. Une décharge électrique crée un plasma, qui ajoute des espèces réactives d’azote et d’oxygène à l’eau du plat. Cette eau traitée au plasma pourrait être en mesure de fertiliser les plantes en croissance. Sean Watson, Bernard Nisol, Mike Wertheimer, S. Reuter.

Les expériences menées par le biochimiste Alexander Volkov, de l’université Oakwood de Huntsville (état d’Alabama aux Etats-Unis), offrent un autre exemple du type de recherches menées dans le domaine de l’agriculture avec du plasma. Alexander Volkov étudie les modes d’interaction entre les plantes et l’électromagnétisme. Par exemple, il a montré comment un stimulus électrique peut déclencher le mécanisme de fermeture chez des plantes carnivores comme la dionée.

[Selon Wikipédia, « La Dionée attrape-mouche (Dionaea muscipula) est une plante carnivore, sans doute la plus connue et la plus emblématique. C’est une plante vivace herbacée de la famille des Droseraceae. C’est la seule espèce du genre Dionaea… » - Source ]

Récemment, Volkov a entrepris d’étudier l’effet du plasma sur 20 graines de ‘dragon’s-tongue’, un cultivar du haricot Phaseolus vulgaris. L’expérience était de faible technicité. Avec ses collègues, il a placé les graines en équilibre sur une boule de plasma pendant une minute chacune, puis les a incubées dans l’eau pendant sept heures. Deux jours plus tard, les scientifiques ont constaté que dans les graines traitées au plasma, la radicule - la petite protubérance de la racine qui fait d’une graine une plantule - mesurait 2,7 centimètres, contre 1,8 centimètre dans les graines non traitées, soit un gain de 50 %. L’équipe a présenté ses résultats dans ‘Functional Plant Biology’ en février 2021.

Des racines apparaissent

Le biochimiste Alexander Volkov et ses collègues ont exposé des graines de haricot nain à des jets de plasma, puis ont immergé les graines dans l’eau pendant une journée. Deux jours plus tard, les graines traitées au plasma présentaient de plus grandes radicelles, ou racines de départ. La croissance la plus faible a été observée chez les graines non traitées. Les autres ont reçu du plasma pendant 30 secondes, une minute, cinq minutes et 15 minutes (voir ci-dessous). En utilisant un globe de plasma, il a obtenu des résultats moins frappants.

Image de semis non traités :

image of untreated seedlings

image de semis traités au plasma pendant cinq minutes

images of seedlings treated with plasma for five minutes

image de plantules traitées au plasma pendant 30 secondes

image of seedlings treated with plasma for 30 seconds

image de plantules traitées au plasma pendant une minute

images of seedlings treated with plasma for one minute

1 minute

Toutes les images sont de A.G. Volkov et al/Plasma Medicine 2020

Moins d’un centimètre de croissance supplémentaire peut sembler modeste, mais Volkov était encouragé. L’avantage ne pouvait pas provenir des espèces réactives de l’azote et de l’oxygène, car elles ne peuvent pas sortir de la sphère de verre, mais d’une manière ou d’une autre, les graines traitées semblaient absorber plus d’eau pour croître plus rapidement.

Pour poursuivre cette idée, le chercheur et ses collègues ont étudié les graines à l’aide d’un microscope à force atomique et de l’imagerie par résonance magnétique, qui révèle comment les tissus absorbent l’eau. Au niveau du micromètre du microscope à force atomique, Volkov a constaté que l’exposition avait rendu la surface des graines rugueuse. Les images ressemblaient à des chaînes de montagnes sculptées. Il a émis l’hypothèse que ces crêtes offraient à l’eau une plus grande surface à laquelle s’accrocher et plus d’ouvertures par lesquelles s’infiltrer à l’intérieur des graines. Les images IRM des haricots traités ont montré de plus grandes bandes blanches - indiquant plus d’eau à l’intérieur - que les haricots non traités.

’Lorsque nous utilisons les boules ou les lampes à plasma, l’eau peut pénétrer facilement à travers les pores et accélérer la germination’, explique-t-il.

Un chemin rocailleux

La surface d’une graine de haricot non traitée, vue au microscope à force atomique, est relativement lisse (à gauche). Après un traitement au plasma d’une minute (à droite), la surface devient rugueuse et ondulée, ce qui peut permettre à l’eau de mieux pénétrer l’extérieur de la graine.

microscope image of the surface of an untreated bush bean seed before and after plasma treatment

Changements de la surface des graines avec le traitement au plasma - Image au microscope de la surface d’une graine de haricot non traitée avant et après le traitement au plasma. A.G. Volkov et al/Plasma Medicine 2020

Des preuves de plus en plus nombreuses

La physicienne Nevena Puač, de l’Institut de physique de Belgrade en Serbie, a réalisé des dizaines d’études testant le plasma sur les plantes et travaille dans ce domaine depuis des décennies. Selon elle, la plupart des études - réussies ou non - ont testé deux idées : le plasma comme désinfectant et le plasma comme stimulateur de croissance.

En ce qui concerne la désinfection, les traitements au jet de plasma de moins d’une minute sur des aliments tels que les pommes, les tomates cerises et la laitue peuvent réduire les bactéries pathogènes, comme Escherichia coli, Salmonella et Listeria. Certaines études ont également porté sur des durées d’exposition plus longues : dans une étude de 2008, cinq minutes de traitement au plasma ont permis d’inactiver 90 % des champignons pathogènes Aspergillus parasiticus sur des noisettes, des cacahuètes et des pistaches.

C’est sur cette branche de recherche que travaille également Niemira. En mai 2019, dans ‘LWT-Food Science and Technology’, lui et ses collègues ont montré que le traitement au plasma combiné à un désinfectant existant tuait 99,9 % des Listeria sur les pommes en moins de quatre minutes. En travaillant seul, l’assainisseur a obtenu des résultats comparables après une heure. La combinaison est beaucoup plus efficace que l’un ou l’autre ne pourrait l’être seul, dit-il.

Les recherches sur la germination des graines et la croissance des plantes sont tout aussi prometteuses. Des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences de Nanjing ont exposé des graines de soja au plasma. Sept jours après l’exposition, les racines étaient jusqu’à 27 % plus lourdes que celles des graines non traitées, a rapporté l’équipe en 2014. La même année, des chercheurs roumains ont signalé des gains similaires pour les racines et les germes de radis.

Lors de la conférence sur l’électronique gazeuse de l’année dernière, organisée en ligne par l’American Physical Society, des chercheurs japonais ont présenté les résultats d’une étude sur de jeunes plants traités directement au plasma et avec de l’eau traitée au plasma dans une rizière de la préfecture d’Aichi. Les plantes traitées directement au plasma au début du processus de croissance avaient un rendement jusqu’à 15 % supérieur à celui des plantes non traitées. En revanche, le traitement des plantes à un stade avancé du processus de croissance a fait baisser le rendement. Selon M. Puač, le choix du moment est important. Tout comme la méthode d’application : dans certains cas, lors des expériences menées au Japon, l’eau traitée au plasma a en fait réduit le rendement.

’À ma connaissance, il s’agit de la première étude où les plantes ont été traitées directement’, plutôt que sous forme de graines ou après la récolte pour être désinfectées, explique l’ingénieur Katharina Stapelmann de l’université d’État de Caroline du Nord à Raleigh, qui a organisé la session.

Selon M. Puač, des études ont associé le traitement au plasma à toute une série d’avantages, allant du taux de croissance au rendement. Mais d’autres études suggèrent que le plasma ne sera jamais une technologie universelle.

Des chercheurs de Corée du Sud ont publié un rapport dans le ‘Journal of Physics D : Applied Physics in 2020’, par exemple, que si une exposition au plasma de six minutes a stimulé les taux de germination des germes d’orge, une exposition de 18 minutes, sur trois jours, n’a apporté aucun avantage en termes de croissance et a fait baisser le poids total de la plante. Des résultats expérimentaux publiés en 2000 ont examiné les effets des jets de plasma directs sur les pois, le maïs et les radis et ont révélé des effets néfastes qui variaient selon le gaz utilisé dans le plasma. Les graines ont été exposées pendant deux à 20 minutes, et les graines ayant subi une exposition prolongée ont été plus lentes à germer que les graines non traitées.

four patches of barley grass treated with different levels of plasma

Neuf jours après avoir semé de l’orge, des chercheurs sud-coréens ont constaté que les germes non traités (à l’extrême gauche) ne poussaient pas aussi bien que les germes ayant reçu une exposition au plasma de six minutes (deuxième à partir de la gauche). Les pousses traitées pendant six minutes pendant deux jours consécutifs (deuxième à partir de la droite) et les pousses traitées trois jours de suite (à l’extrême droite) n’ont pas poussé particulièrement bien, ce qui suggère qu’une trop grande quantité de plasma peut ralentir la croissance. J.-S. Song et al/J. de Physique D : Physique appliquée 2020

Selon Stephen Reuter, ces recherches montrent qu’avant que le plasma ne devienne un produit de base dans les fermes du monde entier, les scientifiques doivent mieux comprendre les innombrables façons dont le quatrième état de la matière pourrait affecter les plantes.

Par exemple, les résultats positifs pour les plantes pourraient être dus en partie au rayonnement UV produit par le plasma ; le rayonnement UV est utilisé depuis longtemps comme désinfectant. Les espèces réactives de l’azote et de l’oxygène, qui peuvent être utiles ou nuisibles aux cellules vivantes en fonction de la façon dont elles sont utilisées, servent probablement aussi de nutriments et de désinfectants. Le plasma produit également des champs électriques et magnétiques ainsi que de la lumière infrarouge et visible. Leur impact sur les plantes n’a pas non plus été entièrement exploré. Même si les chercheurs savent ce que contient le plasma et peuvent observer la réaction des plantes, ils n’en connaissent pas tous les détails, explique M. Volkov.

Des jardins petits et grands

Des projets sont en cours dans le monde entier pour tester le plasma à grande échelle et dans différents contextes. Des scientifiques néerlandais travaillant en Ouganda ont mis au point des ’réacteurs’ portables qui utilisent le plasma pour générer des engrais à partir de l’air. Ils espèrent que cette invention pourra répondre aux besoins en engrais dans les endroits où les agriculteurs ne peuvent souvent pas se procurer d’ammoniac. Au début de l’année 2022, Stephen Reuter espère pouvoir communiquer les premiers résultats de ses expériences. Le système de culture hydroponique d’Hydroserre lui donnera l’occasion d’affiner sa méthode.

Avec un peu de chance, le projet permettra aux futures exploitations agricoles de remplacer l’ammoniac et de réduire les émissions de carbone.

Pendant que les chercheurs et les cultivateurs attendent ces résultats, les citoyens scientifiques, les physiciens amateurs et les jardiniers expérimentaux sont connus pour faire de la place dans la remise pour une boule de plasma à côté de leurs râteaux et de leurs pelles, afin de mener leurs propres expériences à la maison.

Volkov s’est lancé dans l’aventure. Lorsque la pandémie a fait fermer son laboratoire l’année dernière, il a emporté son travail - et ses boules de plasma - chez lui. Il a baigné les graines de légumes pour son jardin pendant une minute dans la riche lueur violacée de la lampe, puis les a mises en place.

’Il y avait des concombres, des tomates, des aubergines, des choux’, dit-il. Un essai dans une arrière-cour ne prouve rien, reconnaît volontiers Volkov, et tout jardinier peut attester qu’une combinaison délicate de variables peut faire ou défaire un jardin.

Mais il a vu une récolte étonnante l’automne dernier. À la fin du mois d’octobre, il récoltait encore de grosses tomates mûres sur les plants palissées issues de graines traitées au plasma, à une époque où les plantes issues de graines non traitées étaient ont souvent flétries. Les concombres étaient plus gros et plus juteux. Les choux, plantés dans la pépinière d’un ami, étaient plus lourds et plus délicieux, dit-il. ’J’ai obtenu une quantité fantastique de tout’.

Une version de cet article est parue dans le numéro du 11 septembre 2021 de ‘Science News’

Citations

H. Hashizume et al. Improvement of yield and grain quality by periodic cold plasma treatment with rice plants in a paddy field. Plasma Processes and Polymers. Vol. 18, January 2021, p. e2000181. doi : 10.1002/ppap.202000181.

N. Puač et al. Plasma agriculture : A rapidly emerging field. Plasma Processes and Polymers. Published online November 17, 2017. doi : 10.1002/ppap.201700174.

P. Attri et al. Plasma agriculture from laboratory to farm : a review. Processes. Published online August 17, 2020. doi : 10.3390/pr8081002.

P. Ranieri et al. Plasma agriculture : review from the perspective of the plant and its ecosystem. Plasma Processes and Polymers. Vol. 18, January 2021, p. e2000162. doi : 10.1002/ppap.202000162.

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Ajout d’une annexe sur les plasmas froids

Qu’est-ce qu’un plasma froid ? – Vidéo

Cette vidéo éducative présente les plasmas froids de leur définition aux applications.

Date de réalisation : 1 Avril 2020 - Durée du programme : 9 min

Classification Dewey : Mécanique des gaz - Catégorie : Vidéocours

Niveau : Tous publics / hors niveau

Disciplines : Énergétique, énergie, Physique, Génie des procédés

Collections : E-learning - ficheLom : Voir la fiche LOM

Auteur(s) : BOUSQUET Angélique, DOUAT Claire

Réalisateur(s) : DOUAT Claire, BELOUET Florian

Source à consulter : https://www.canal-u.tv/video/rpf/qu_est_ce_qu_un_plasma_froid.55915

Physique des plasmas d’après Wikipédia

La physique des plasmas est la branche de la physique qui étudie les propriétés, la dynamique et les applications des plasmas. Un plasma est une phase de la matière constituée de particules chargées, d’ions et d’électrons1. La physique des plasmas, tout comme la physique des liquides et des gaz, n’est pas un domaine de la physique à part entière. Elle est multi-branche, c’est-à-dire qu’elle réunit, utilise et approfondit les concepts fondamentaux d’autres branches de la physique (physique atomique, physique quantique, physique statistique, mécanique des fluides, chimie physique, etc.) pour l’adapter au problème complexe par nature de l’étude d’un ensemble disparate de particules chargées et non chargées soumises à divers champs de force. La chimie y tient également une part importante.

La transformation d’un gaz en plasma (gaz ionisé) ne s’effectue pas à température constante pour une pression donnée, avec une chaleur latente de changement d’état, comme pour les autres états ; mais il s’agit d’une transformation progressive. Lorsqu’un gaz est suffisamment chauffé, les électrons des couches extérieures peuvent être arrachés lors des collisions entre particules, ce qui forme le plasma. Globalement neutre, la présence de particules chargées donne naissance à des comportements inexistants dans les fluides classiques, en présence d’un champ électromagnétique par exemple.

Un plasma peut également se former à basse température si la source d’ionisation lui est extérieure. C’est le cas de l’ionosphère, cette couche élevée de l’atmosphère terrestre qui, bien que froide, subit en permanence un intense bombardement ionisant de particules venant du soleil. Les aurores polaires sont l’une des manifestations de ce plasma.

Cet état est le plus répandu dans l’univers, on le trouve notamment dans les étoiles, les nébuleuses, le milieu interstellaire et aussi l’ionosphère terrestre. À une autre échelle, on trouve également des plasmas dans les tubes fluorescents, les propulseurs spatiaux, et certains réacteurs chimiques. Ils sont couramment utilisés dans l’industrie notamment en microélectronique et en traitement des matériaux.

Sommaire

Description

Le plasma, tout comme le solide, le liquide, ou le gaz, est un état de la matière. Il n’est visible sur Terre qu’à très haute température, quand l’énergie est telle qu’elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors ce qu’il est convenu d’appeler une sorte de « soupe » d’électrons extrêmement actifs dans laquelle « baignent » des noyaux d’atomes.

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin auquel ce phénomène s’apparente visuellement.

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est considéré comme un isolant parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre (électrons ou ions positifs). Les électrons libres et les ions positifs peuvent apparaître si on soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou à des températures suffisamment élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide très conducteur qu’on appelle plasma. Il est important de noter que ce qui distingue un milieu plasma, d’un milieu ionisé, est sa neutralité macroscopique.

À l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette définition a été étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportement diffère de celui d’un gaz neutre. Aujourd’hui, on parle de plasma lorsque la matière que l’on observe contient un grand nombre de particules de natures différentes qui peuvent interagir entre elles et avec l’environnement : c’est une soupe d’électrons, cations, anions, atomes neutres, agrégats (clusters)...

Pour caractériser un plasma, il faut tenir compte du nombre d’espèces présentes et de leurs différents états de charge, puis étudier l’évolution de la densité, de la température et de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse, ce pour toutes les réactions susceptibles de se produire, qu’elles soient chimiques ou nucléaires, sans oublier les collisions qui peuvent avoir lieu. Si les processus de recombinaison entre électrons et ions n’équilibrent pas le processus d’ionisation, le plasma est dit hors d’équilibre thermodynamique. L’étude complète de tous les phénomènes apparaissant dans un plasma est à ce jour impossible, il en résulte une simplification initiale nécessaire à la distinction et au classement des plasmas.

La physique des plasmas s’intéresse aussi à la dynamique des faisceaux d’électrons, de protons, d’ions lourds : les plasmas non neutres. On peut citer entre autres le travail accompli par des physiciens théoriciens sur les plasmas de quarks et de gluons[réf. souhaitée]. La définition physique du mot plasma ainsi étendue est la suivante : ensemble de particules suffisamment excitées pour ne pas pouvoir se combiner de manière stable et former les particules qui sont observées dans l’état fondamental.

Pour distinguer ces définitions, le plasma dit de matière est constitué d’électrons et d’ions incapables de former des atomes tandis que le plasma de quarks appelé plasma quark-gluon est formé des quarks incapables de se combiner pour former des neutrons, protons, etc. Un plasma de neutrons et protons est observé lorsque ces particules sont trop excitées pour former des ions.

Cependant, il ne sera question que de plasmas à base d’atomes dans la suite de cet article.

Exemples

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4c/Plasma_scaling.svg/450px-Plasma_scaling.svg.png

Les différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leur densité.

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l’Univers puisqu’ils représentent plus de 99 % de la matière connue. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, « la Terre », étant données leur nature incompatible avec les conditions nécessaires à la vie terrestre.

Ainsi on peut distinguer les plasmas naturels et les plasmas artificiels (créés par l’homme) :

Les plasmas naturels :

Comme un plasma est une assemblée de particules différentes en interaction, il est de manière générale difficile de le caractériser. Supposons que le plasma contienne X espèces, incluant les différents états de charge d’un même atome (ou molécule ou agrégat ...), il faut pour complètement le décrire, étudier l’évolution de la densité, de la température, de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse de chaque espèce, au cours de toutes les réactions chimiques, nucléaires, ou collisions qui peuvent avoir lieu. C’est une tâche quasiment impossible, car même si on peut écrire des équations reliant toutes ces données, il est souvent impossible de les résoudre, même numériquement, avec les moyens informatiques actuels.
Pour simplifier, dès le départ, le(s) problème(s), on répartit les plasmas en plusieurs catégories. Dans chaque catégorie les plasmas vont avoir un certain type de comportement propre. Pour construire ces catégories, il faut définir différents paramètres comme suit.

Température des espèces (« plasma chaud », « plasma froid »)

Un plasma, du fait qu’il contient des espèces ionisées, contient aussi des électrons libres (par neutralité globale du plasma, exception faite des faisceaux de particules). Les électrons ont une masse 2 000 fois plus faible que les ions (le rapport masse du proton ou du neutron sur masse de l’électron vaut plus exactement 1836), ils ont donc moins d’inertie et sont plus « réactifs ». Il est donc plus facile de donner de l’énergie aux électrons qu’aux espèces plus lourdes, les ions. On va alors scinder les plasmas en deux catégories :

  • « plasma froid » aussi appelé « plasma non thermique », « plasma bi-température » ou encore « plasma hors équilibre » : les électrons ont acquis assez d’énergie pour effectuer des réactions par collision avec les autres espèces. Les espèces neutres et chargées (ions) quant à elles pourront effectuer des réactions chimiques classiques.
  • « plasma chaud » ou encore « plasma thermique » : les électrons, mais aussi les ions sont assez énergétiques pour influencer le comportement du plasma.
    Pourquoi cette dénomination ? En physique des plasmas, on mesure l’énergie cinétique

Pour lire la suite de l’article > https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_des_plasmas

ω p = n 0 e 2 ϵ 0 m e \displaystyle \omega _p=\sqrt \frac n_0e^2\epsilon _0m_e

Les ordres de grandeurs > voir le tableau au site d’origine

Il existe de nombreux modèles mathématiques adaptés aux différents types de plasmas. Ils font tous appel à un couplage entre les équations d’évolution des particules et du champ électromagnétique. Le grand nombre d’équations et de degrés de liberté (3 d’espace, 3 de vitesse, plus le temps) classe les problèmes de la physique des plasmas parmi les plus difficiles à résoudre numériquement.

La plupart du temps, on considère que les particules sont influencées par le champ électromagnétique moyen : c’est l’approche de Vlassov. À l’inverse, on peut considérer toutes les interactions entre particules : c’est l’approche de Fokker-Planck, qui est naturellement beaucoup plus complexe.

Pour modéliser l’évolution du champ électromagnétique, on utilise classiquement les équations de Maxwell. Si les effets du champ magnétique sont faibles, on peut se contenter de l’équation de Poisson de l’électrostatique. Ces équations sont couplées aux précédentes par les termes sources de densité de charge et de courant du plasma. Ceux-ci sont obtenus à partir des moments de la distribution en vitesse.

Suivant les cas, on pourra également considérer ou non l’effet de collisions entre particules (interactions à très courte portée). Si les collisions sont suffisamment nombreuses, la distribution en vitesse des particules tend vers un équilibre Maxwellien local : c’est la limite fluide.

Une approximation courante consiste à considérer un seul fluide moyen pour toutes les particules du plasma : c’est la magnétohydrodynamique (ou MHD), qui permet notamment de modéliser le vent solaire.

Les champs de recherche et d’applications - Cet article contient une ou plusieurs listes (mai 2012). Cet article contient une ou plusieurs listes. Ces listes gagneraient à être rédigées sous la forme de paragraphes synthétiques, plus agréables à la lecture, les listes pouvant être aussi introduites par une partie rédigée et sourcée, de façon à bien resituer les différents items. En effet, Wikipédia n’a pas pour rôle de constituer une base de données, et privilégie un contenu encyclopédique à la recherche de l’exhaustivité.

  • Équilibre et stabilité des plasmas
    C’est un problème majeur notamment pour toutes les recherches où un confinement est nécessaire, par exemple pour la fusion nucléaire.
  • Diagnostic & Simulation
    Les diagnostics expérimentaux et la simulation numérique sont deux outils indispensables aux plasmiciens. La simulation numérique des plasmas est très gourmande en puissance machine de par la complexité des interactions à traiter. Actuellement les codes de calcul sont essentiellement des codes 1D ou 2D particulaires, 2D et 3D fluides. De nombreux codes sont des codes hybrides.
    • Plasma pour implantation ionique (III P : Implantation Ionique par Immersion Plasma) ;
      Utilisés en microélectronique et dans l’industrie des matériaux, ces traitements permettent de modifier les propriétés de matériaux immergés dans un plasma en implantant des atomes (extraits de ce plasma) sous leurs surfaces. L’IIIP permet de réduire drastiquement les coûts liés aux implantations par faisceau d’ions mais remplit une fonction similaire (avec une moindre précision). Les ions sont accélérés par une gaine dite matrice d’ions (évoluant en gaine de Child-Langmuir) induite par de fortes impulsions de l’ordre de plusieurs kV et de plusieurs µs. Cette technique permet de rendre les matériaux biocompatibles, résistants à la corrosion, d’une plus grande dureté ou de créer des matériaux magnétiques pour capteurs utilisés dans les applications biomédicales. L’un des enjeux actuels est la réalisation uniforme de jonctions de surface (ultra-shallow doping) qui permet la miniaturisation de transistors.
    • Les disjoncteurs à haute tension dont le principe de coupure du courant est basé sur le refroidissement d’un plasma d’arc entre deux conducteurs ;
    • Plasma pour test de rentrée dans l’atmosphère ;
      Des torches à plasma sont aussi utilisées pour reproduire les températures extrêmes atteintes lors des rentrées dans l’atmosphère d’appareils comme les navettes spatiales. Afin de reproduire aussi les phénomènes de frottement, la torche est dite supersonique car le plasma est propulsé à une vitesse supérieure à celle du son.
    • Traitement des déchets ;
    • La médecine du plasma ;
      • L’utilisation de plasmas froids à pression atmosphérique pour des applications biomédicales est un domaine de recherche jeune et prometteur dans lequel des espèces actives (moléculaires ou ioniques) sont générées dans des plasmas pour traiter des tissus biologiques, permettant notamment d’effectuer un traitement local. Les sources plasma développées se présentent généralement sous forme de jets de plasma, de micro décharges ou de décharges à barrière diélectrique et les applications étudiées concernent la stérilisation de plaies, la régénérescence des tissus ou encore le traitement de cellules cancéreuses (apoptose induite par traitement plasma). Actuellement, la plupart des études sont encore effectuées in-vitro ou in-vivo sur des souris. 2,3

Notes et références

 Définitions lexicographiques [archive] et étymologiques [archive] de « plasma » (sens B) dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales

 (en) M. G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill et T. Nosenko, « Plasma medicine : an introductory review », New Journal of Physics, vol. 11, no 11,‎ 2009, p. 115012 (ISSN 1367-2630, DOI 10.1088/1367-2630/11/11/115012, lire en ligne [archive], consulté le 18 décembre 2018)

 (en) Gregory Fridman, Gary Friedman, Alexander Gutsol et Anatoly B. Shekhter, « Applied Plasma Medicine », Plasma Processes and Polymers, vol. 5, no 6,‎ 2008, p. 503–533 (ISSN 1612-8869, DOI 10.1002/ppap.200700154, lire en ligne [archive], consulté le 18 décembre 2018)

Liens externes

Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_des_plasmas

Autres sources d’informations sur les plasmas froids :

Le plasma, pour désinfecter ? – Sanodev https://sanodev.com › le-plasma-pour-desinfecter

Les plasmas froids réchauffent l’innovationhttps://lejournal.cnrs.fr › articles › les-plasmas-froids-re... -4 mars 2016 — Les tubes fluorescents, les ampoules à basse consommation et les lampes à UV constituent ainsi un développement majeur du principe du plasma froid ...

VIDEO. Utiliser le plasma froid pour tuer les virus https://www.sciencesetavenir.fr › Santé -22 sept. 2020 — Le plasma froid est un quatrième état de la matière, après le solide, le liquide et le gazeux…

Le plasma froid - France air https://www.france-air.com › blog › 2021/05/04 › le-pl... -4 mai 2021 — Le plasma froid est une technique de décontamination sans produit chimique. Elle repose sur la minéralisation des molécules organiques au ...

Un plasma froid détruit 99,9 % des virus dans l’air - Futura ... https://www.futura-sciences.com › Sciences › Actualités -10 avr. 2019 — Des chercheurs de l’université du Michigan montrent que des virus présents dans l’atmosphère peuvent être inactivés grâce à un plasma froid.

Production d’atomes réactifs par un plasma froid pour la ... https://www.synchrotron-soleil.fr › actualites › producti... -« Les plasmas froids à la pression atmosphérique sont en passe de devenir des outils précieux pour de nouvelles applications susceptibles de révolutionner la ...

Les plasmas non thermiques - médecine/sciences https://www.medecinesciences.org › full_html › 2012/02de M Vandamme · 2012 — En bas, le plasma gun permet de générer un plasma froid à la sortie de capillaires de différents diamètres permettant d’envisager le traitement de tumeurs ...

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Tuer les virus avec du plasma froid - Sciences et AvenirSciences et Avenir -22 sept. 2020

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Vidéo 4:04 Tuer les virus avec du plasma froidOrange actu22 sept. 2020

Qu’est-ce qu’un plasma froid ? https://www.canal-u.tv › video › rpf › qu_est_ce_qu_u... – « Qu’est-ce qu’un plasma froid ? Cette vidéo éducative présente les plasmas froids de leur définition aux applications ». Date de réalisation : 1 Avril 2020 ...

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09/2021

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