Les Femmes et la science(-fiction) : Fatima Ebrahimi

Le mois dernier, je vous ai fait découvrir Émilie Querbalec, écrivaine française de science-fiction, publiée chez Albin Michel imaginaire. Son portrait a été relayé sur plusieurs sites et forums : je vous remercie pour votre intérêt ! Cela conforte la pertinence de cette série d’articles.

Ce mois-ci, je vous présente Fatima Ebrahimi, physicienne irano-américaine, inventrice d’un nouveau concept de propulseur à plasma pour les fusées du futur.

 

Fatima EBRAHIMI

 

Biographie

 

Naissance de son intérêt pour la physique des plasmas

Fatima Ebrahimi grandit à Téhéran, en Iran, pendant la guerre Iran-Irak, qui dure de 1980 à 1988. « J’ai pu poursuivre ma scolarité, mais cela m’a affectée. J’ai ces souvenirs… », confie-t-elle. Les habitants de Téhéran ont été confrontés à une grave pénurie : des marchandises étrangères à la nourriture, tout manquait. « J’ai aussi le souvenir d’avoir été réveillée par les sirènes prévenant des raids aériens, et de devoir courir jusqu’à un abri. Quelques fois, nous devions évacuer temporairement. »

Au lycée, Fatima Ebrahimi est tout d’abord attirée par la physique. Elle y excelle. Elle cherche à comprendre les lois physiques qui déterminent la façon dont matière et énergie interagissent. Elle se demande s’il existe une loi commune capable de tout expliquer. « Je pense que c’était fait pour moi », dit-elle. « L’universalité était quelque chose que je recherchais ».

Elle poursuit ses études en sciences-physiques à l’Université polytechnique de Téhéran, où elle obtient un master. Au cours de ces années-là, elle s’intéresse à plusieurs domaines en la matière. Elle veut comprendre comment ils œuvrent ensemble pour gouverner l’univers. Ses centres d’intérêt la conduisent peu à peu à se rapprocher de l’étude de la physique des plasmas [1]. Bien qu’il s’agisse d’un domaine moins axé sur une loi universelle, c’est un domaine dans lequel plusieurs branches de la physique se chevauchent.

Fatima Ebrahimi déménage en Suède pour intégrer un programme doctoral à l’Institut royal de technologie. Elle commence à se spécialiser en physique des plasmas et en fusion nucléaire [2]. Au bout d’un an, cependant, elle décide de poursuivre ses recherches aux États-Unis. « Il manquait quelque chose, en Suède », se souvient-elle. La recherche n’y bénéficiait pas d’une approche pluridisciplinaire. Par exemple, des chercheurs américains – dont certains de l’Université du Wisconsin – avaient pu se rendre là où avait lieu une expérience de fusion de premier plan dans le monde. « La recherche aux États-Unis tire avantage d’un environnement spécial. Il était clair pour les scientifiques américains que je devais être là-bas, et je voulais travailler avec eux. »

Peu de temps après, Fatima Ebrahimi postule pour intégrer un programme doctoral à l’Université du Wisconsin. « J’ai postulé à d’autres places aussi, mais je sentais que c’était le bon endroit pour moi, pour obtenir mon doctorat », dit-elle. Le programme de physique des plasmas proposé par cette université inclut un large éventail d’expériences, qui ont lieu sur le campus. Cette caractéristique est, pour Fatima Ebrahimi, une importante opportunité d’apprentissage, difficile à trouver ailleurs.

L’étude de la fusion nucléaire

Alors qu’elle poursuit son doctorat à l’Université du Wisconsin, Fatima Ebrahimi continue à étudier une méthode de fusion nucléaire sur laquelle elle avait commencé à travailler en Suède. Pour cela, elle utilise le tore [3] symétrique de Madison situé dans le Hall Chamberlin. Elle conduit des simulations pour comprendre comment maintenir efficacement un courant plasma constant et contrôlé pendant une période prolongée. Les physiciens continuent d’ailleurs d’étudier la question, car il sera nécessaire de maîtriser le procédé si « nous » venions à utiliser la fusion comme source d’énergie.

Fatima Ebrahimi collabore avec d’autres scientifiques afin de mettre en pratique ses résultats informatiques, dans l’espoir de comprendre la physique derrière les simulations. « Cet effort qui consiste à valider les recherches informatiques par des expériences en laboratoire est important. Cela aide à donner du crédit à ces résultats, à avoir confiance en nos calculs », dit Ellen Zweibel, professeure au département d’astronomie et de physique, à l’Université du Wisconsin.

Fatima Ebrahimi rencontre Ellen Zweibel alors qu’elle mène ses études post-doctorales et d’autres recherches à l’Université. Elles travaillent ensemble au Centre d’auto-organisation magnétique (CMSO), qui réunit les études de phénomènes observés à la fois en astrophysique et en physique des plasmas.

Même si elle travaille essentiellement au laboratoire de physique des plasmas, Fatima Ebrahimi se fait connaître en astrophysique en travaillant au CMSO, grâce au soutien de son directeur de thèse Steward Prager, de Ellen Zweibel, et de son mentor qu’elle a rencontré en Suède, feu Dalton Schnack, qui travaillait au département de physique de l’Université du Wisconsin.

Cette approche pluridisciplinaire l’amène à penser différemment au problème posé par la fusion. Elle applique ses connaissances issues de ses recherches dans le laboratoire d’astrophysique, et vice versa. « C’est une force de Fatima d’être capable d’aller au-delà, de collaborer avec les différents spécialistes et de les aider à comprendre ce qu’ils constatent lors des expérimentations », dit Prager. « Elle a aussi collaboré avec des astrophysiciens qui n’ont pas du tout étudié les plasmas en laboratoire. Elle est capable de combler ces lacunes et d’appliquer son travail à la fois en laboratoire et en astrophysique. »

La recherche sur la fusion nucléaire a besoin de femmes

Ellen Zweibel remarque que Fatima et elle-même sont les seules femmes à occuper des postes supérieurs au CMSO depuis qu’il est sur le campus. Zweibel a noté que le nombre de femmes en astronomie reste systématiquement plus élevé que le nombre de femmes en physique des plasmas. « Les femmes sont sous-représentées aux États-Unis au sein de la communauté qui travaille sur la fusion nucléaire, et plus encore à des postes supérieurs », dit-elle. En dépit de ces nombres et de leurs espoirs insatisfaits de voir davantage de femmes suivre cette voie, Fatima Ebrahimi se concentre sur les domaines sur lesquels elle peut avoir de l’influence. Elle poursuit sa passion qui est de résoudre le puzzle de la fusion nucléaire. « Vous trouvez un problème qui vous passionne et vous y travaillez. C’est aussi simple que ça », résume-t-elle.

Elle se souvient pourtant d’une mésaventure survenue un an plus tôt. Elle a dû faire face au retard pour obtenir un visa pour retourner aux États-Unis afin de poursuivre ses études postdoctorales à l’Université du Wisconsin. Elle continuait à payer le loyer de son appartement de Madison… Un jour, ses collègues durent l’aider à ranger ses affaires. « Dans mon cas, être immigrée était encore plus difficile. Jusqu’à ce que je devienne une citoyenne américaine, cela a ralenti ma carrière à de nombreuses reprises. »

Son idée d’utiliser la reconnexion magnétique

Au laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL), Fatima Ebrahimi travaille avec un nouveau type de tore : « la mise à niveau de l’expérience nationale du tore sphérique ». Le NSTX-U est l’une des plus puissantes expériences de ce type. Certaines recherches de Fatima Ebrahimi démarrent là où son doctorat s’est arrêté, mais elles se concentrent sur une méthode différente et innovante : la reconnexion magnétique [4]. À partir de ce phénomène physique, Fatima Ebrahimi a inventé un nouveau concept de fusée à plasma, qui pourrait être utilisé dans un futur proche pour les voyages vers Mars. Elle modélise ses recherches grâce au NSTX-U, qui est plus compact que les dispositifs de fusion conventionnels utilisés par de nombreux scientifiques. Cela toujours dans le but de comprendre comment créer efficacement un courant de plasma constant et durable. « Je veux sortir des sentiers battus », dit-elle. Et c’est exactement ce qu’elle fait. « Je pense que c’est ce dont la fusion a besoin. »

En étudiant ces méthodes innovantes, en utilisant des appareils compacts, Fatima Ebrahimi pense que les chercheurs sont peut-être à la veille de découvrir une solution durable et contrôlée, le billet qui « nous » permettra d’utiliser la fusion comme source d’énergie. Bien que les scientifiques aient fait de grands progrès au cours des dernières décennies, Fatima estime qu’il est difficile de prédire le moment où cela sera possible. « La fusion est difficile », dit-elle. Il faut une équipe mondiale. Des projets variés de fusion nucléaire ont démarré aux quatre coins du monde. Tous aident les physiciens à mieux comprendre la fusion. Cette multitude de projets est coûteuse, mais nécessaire, d’après Fatima Ebrahimi. Le jeu devrait en valoir la chandelle. « C’est une énergie illimitée pour l’humanité. Ce n’est pas pour une génération. C’est pour toutes les générations à venir. »

(Source : L’ensemble du texte ci-dessus est une traduction d’une partie de l’article consacré à Fatima Ebrahimi, paru dans le magazine On Wisconsin à l’été 2019. Traduction effectuée par H.G.)

Aujourd’hui, Fatima Ebrahimi est chercheure principale au département de théorie du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) et chercheure affiliée au département des sciences astrophysiques de l’Université de Princeton.

 

 

De l’étude des plasmas à l’invention du concept de reconnexion magnétique

 

[1] Qu’est-ce qu’un plasma ?

Le plasma est un gaz ionisé. Le plasma est le quatrième état de la matière. Il est peu connu du grand public car il n’est pas enseigné à l’école. Il est pourtant le premier état de la matière dans l’univers, car il est le plus présent ! 99 % de la matière visible de l’univers est à l’état de plasma.

« La technologie plasma est basée sur un principe physique simple. Lorsque l’énergie est fournie, alors l´état de la matière change : de l’état solide elle passe à l’état liquide, de l’état liquide à l’état gazeux. Si de l’énergie supplémentaire est apportée à un gaz, il est ionisé et passe à l’état de plasma riche en énergie. » (Source : Plasmatreat.)

Nous connaissons tous des plasmas naturels : la foudre, les aurores boréales provoquées par l’entrée en contact des vents stellaires (qui sont des plasmas) avec l’oxygène de notre atmosphère…

Le plasma désigne une matière de haut niveau d’énergie instable. Il est déjà utilisé dans l’industrie afin de modifier les propriétés de certains matériaux.

Ci-dessous, une conférence qui vous en apprendra plus sur les plasmas, leur origine, leurs capacités, leurs utilisations et leurs promesses :

 

 

[2] Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?

La fusion nucléaire est le processus dans lequel deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. « La fusion nucléaire est en quelque sorte l’opposé de la fission nucléaire – le phénomène physique exploité au cœur des centrales nucléaires – laquelle, consiste à briser un noyau lourd en deux noyaux plus légers. » (Source : Futura sciences.)

La fusion nucléaire a lieu de manière naturelle au cœur des étoiles. Notre Soleil transforme continuellement des atomes d’hydrogène en hélium. Cette réaction de fusion dégage une quantité phénoménale d’énergie. Cette énergie est dégagée sous forme de lumière et de chaleur.

L’intérêt d’utiliser la fusion nucléaire comme source d’énergie est que ce phénomène n’émet pas de gaz à effet de serre. D’autre part, il permet de produire une grande quantité d’énergie à partir d’une petite quantité de matière première. Le problème actuel est que « nous » ne savons pas encore maîtriser une telle réaction. De nombreux dispositifs expérimentaux sont à l’étude aux quatre coins du monde, notamment en France avec le projet ITER, avec pour objectif d’y parvenir.

 

[3] Qu’est-ce qu’un tore ?

En architecture, un tore est une moulure épaisse de forme semi-cylindrique. En mathématiques, il s’agit d’un volume engendré par un cercle qui tourne autour d’un axe situé dans son plan et qui ne passe pas par son centre. Plus simplement, il s’agit d’un solide géométrique représentant un tube courbé refermé sur lui-même.

Les réservoirs toroïdes permettent de former des plasmas et de les étudier, dans le cadre des développements des tokamaks et de la fusion nucléaire.

« Un tokamak est un dispositif de confinement magnétique expérimental explorant la physique des plasmas et les possibilités de produire de l’énergie par fusion nucléaire. Il existe deux types de tokamaks aux caractéristiques sensiblement différentes : les tokamaks traditionnels toriques et les tokamaks sphériques. » (Source : Wikipédia, où vous trouverez aussi la liste des tokamaks dans le monde.)

ITER, en cours de construction sur le site de Cadarache, en France, sera un tokamak sphérique.

 

[4] Qu’est-ce que la reconnexion magnétique ?

« La reconnexion magnétique est un processus physique dans les plasmas fortement conducteurs, par lequel la topologie du champ magnétique est ré-arrangée et une partie de l’énergie magnétique est convertie en énergie cinétique, thermique, et en accélération de particules. » (Source : Wikipédia.)

Ce processus physique conduit à la réorientation des lignes de champs magnétiques. Cela aboutit à la production d’énergie sous différentes formes : thermique et cinétique. La reconnexion magnétique naturelle se produit par effet de la dynamique des flux des champs magnétiques. La reconnexion magnétique forcée est produite par les mouvements du plasma, qui joueraient le rôle de doigts qui pinceraient les flux, les obligeant à réorienter leurs lignes de champs.

« “Je cuisine ce concept depuis un certain temps”, a déclaré Fatima Ebrahimi, physicienne de recherche principale au PPPL, inventrice du concept et auteure d’un article détaillant l’idée dans le Journal of Plasma Physics. “J’en ai eu l’idée en 2017, alors que j’étais assise sur un pont et que je réfléchissais aux similitudes entre l’échappement d’une voiture et les particules d’échappement à haute vitesse créées par l’expérience nationale de tore sphérique (NSTX) du PPPL”. Le NSTX était le tore précurseur de l’actuelle installation de fusion du laboratoire. “Au cours de son fonctionnement, ce tokamak produisait des bulles magnétiques appelées plasmoïdes qui se déplaçaient à environ 20 kilomètres par seconde, ce qui me paraissait un peu comme une poussée.”

La fusion − puissance qui anime le soleil et les étoiles − combine des éléments légers sous forme de plasma […] pour générer des quantités massives d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d’énergie et produire de l’électricité. Les propulseurs à plasma actuels qui utilisent des champs électriques pour propulser les particules ne peuvent produire qu’une faible impulsion ou vitesse spécifique. Mais les simulations informatiques conduites par Fatima Ebrahimi, effectuées sur des ordinateurs du PPPL et du National Energy Research Scientific Computing Center, […] ont montré que le nouveau concept de propulseur à plasma peut générer des gaz d’échappement avec des vitesses de centaines de kilomètres par seconde. Soit 10 fois plus rapides que celles des autres propulseurs.

“Cette vitesse plus rapide au début du voyage d’un vaisseau spatial pourrait mettre les planètes extérieures à la portée des astronautes”, a déclaré Fatima Ebrahimi. “Les voyages sur de longues distances prennent des mois, voire des années, car l’impulsion spécifique des moteurs de fusées chimiques est très faible, de sorte que l’engin met un certain temps à se mettre à niveau. Mais si nous fabriquons des propulseurs basés sur la reconnexion magnétique, nous pourrions alors réaliser des missions longue distance dans un laps de temps plus court.” »

(Source : article consacré à Fatima Ebrahimi sur le site Energy.gov. Traduction effectuée par H.G.)

Source : L’Observateur de Troyes (cliquez sur l’image pour accéder à l’article).

 

Pour finir, voici deux vaisseaux de science-fiction qui fonctionnent grâce à des propulseurs à plasma, plus communément appelés “propulseurs ioniques” :

Chasseur TIE (pour Twin ion engine), dans l’univers de Star Wars (cliquez sur l’image pour accéder à l’article).

Le vaisseau d’attaque Jem’Hadar, dans l’univers de Star Trek (cliquez sur l’image pour accéder à l’article).

 

H.G.

 

Articles précédents, dans la série “Les Femmes et la science(-fiction)” :

 

Année 2021

Émilie QUERBALEC, écrivaine française de science-fiction – mars 2021 ;

Valentina TERECHKOVA, parachutiste russe, première femme astronaute de l’Histoire – février 2021 ;

Année 2020

Françoise COMBES, astronome française, spécialiste de la formation des galaxies et experte en matière noire – décembre 2020 ;

Emmanuelle CHARPENTIER, biochimiste et microbiologiste française – novembre 2020 ;

Magali GUYOT, écrivaine française de science-fiction – octobre 2020 ;

Katherine COLEMAN GOBLE JOHNSON, mathématicienne et ingénieure spatiale américaine – juillet 2020 ;

Andrea GHEZ, astronome, chercheuse américaine – juin 2020 ;

Célia IBANEZ, écrivaine française de science-fiction – mai 2020 ;

Katie BOUMAN, scientifique américaine – avril 2020 ;

Marie CURIE, scientifique naturalisée française, d’origine polonaise – mars 2020.

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