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Chantal Stehlé, directrice de Plas@Par, et Xavier Fresquet, chef de projet du Labex.

Plas@Par : les plasmas dans tous leurs états

Fondamentale ou appliquée, la recherche sur les plasmas revêt une importance croissante et le Labex Plas@Par (Plasmas à Paris) de Sorbonne Universités en est un des fleurons. Explications avec Chantal Stehlé, sa directrice, et Xavier Fresquet, son chef de projet.

Pour les non-spécialistes, le terme de plasma n’évoque pas grand chose. Pouvez-vous nous éclairer ?

Chantal Stehlé : 99 % de la matière connue dans l’univers est à l’état de plasma. On trouve des plasmas dans les étoiles, comme le Soleil, dans les nébuleuses, le vent solaire, les aurores polaires, ou encore sur Terre, comme la foudre et les flammes. Tous les plasmas ne sont pas naturels. Certains sont créés par l’homme pour répondre à de nombreuses applications industrielles : par exemple, les tubes fluorescents ou la fabrication des circuits électroniques.

La matière est composée d’atomes (chaque atome étant formé d’un noyau autour duquel tournent des électrons) et de molécules (c’est-à-dire d’assemblages d’atomes). Quand la matière devient plasma, certains électrons se détachent du noyau des atomes et circulent librement. Elle comporte alors des ions (des atomes ayant perdu un ou plusieurs électrons), qui sont chargés positivement, et des électrons, chargés négativement. De ce fait, elle réagit fortement aux champs magnétiques ou électriques, ce qui lui confère des caractéristiques spécifiques. 

Quels sont les enjeux de la recherche sur les plasmas ?

Xavier Fresquet : La physique des plasmas obéit à des règles particulières, différentes de celles de la physique des solides par exemple, et encore mal connues. De plus, les plasmas ont beaucoup d’applications possibles : dans l’environnement, la médecine, l’aéronautique, l’énergie… Il s’agit donc d’un enjeu important en recherche fondamentale comme en recherche appliquée. Plas@Par couvre ces deux aspects et c’est un atout : avancer dans la connaissance des propriétés physiques des plasmas permet aussi de progresser dans leurs applications. 

Quels sont les autres points forts du Labex ?

C. S. : Les plasmas étaient déjà un domaine d’excellence de l’UPMC Sorbonne Universités, qui a été l’initiatrice du Labex et qui le porte : l’UPMC fait partie des tutelles de neuf des douze laboratoires impliqués dans le projet. La création de Plas@Par a permis d’enrichir son expertise de celle d’autres centres franciliens pour constituer un pôle de plus de 140 chercheurs, qui couvre les divers types de plasmas, et, surtout, de fédérer les différentes équipes pour les faire travailler ensemble. 

X. F. : Les chercheurs de Plas@Par viennent de plusieurs disciplines : physique et astrophysique, physico-chimie, mathématiques appliquées et ingénierie. En mettant leurs compétences en commun, ils peuvent envisager la réalisation de projets très ambitieux : par exemple, la construction d’un spectromètre à rayons X de performances exceptionnelles, entre le Laboratoire de chimie physique - matière et rayonnement et l’Institut des nanosciences de Paris. 

Quels types de recherches innovantes ont fait émerger ces interactions ?

C. S. : En recherche fondamentale, les spécialistes des plasmas générés par laser du Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses et les spécialistes des plasmas astrophysiques du Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères ont par exemple collaboré pour reproduire le plasma des étoiles en laboratoire, afin de l’étudier. L’objectif était de comprendre l’origine des jets stellaires très violents qui se produisent lors de la formation des étoiles et le rôle du champ magnétique ambiant dans ce phénomène. Pour cela, l’équipe a produit un plasma représentatif de celui des jeunes étoiles et l’a soumis à un champ magnétique externe de forte intensité. C’était une première. Depuis, ce type d’expériences a fait école et donné naissance à plusieurs recherches dérivées. 

Et en recherche appliquée ?

C. S. : Le Labex a notamment donné un véritable coup d’accélérateur à trois axes de recherche qui étaient en germe. Le premier concerne la propulsion spatiale. Des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas et de l’Office national d’études et recherches aérospatiales travaillent sur une technologie de propulseur à plasma, qui permet par exemple de déplacer un satellite dans l’espace pour le maintenir sur l’orbite voulue. En juin 2016, ce procédé, économe en carburant, a donné lieu à la création d’une start-up : ThrustMe, qui est portée par une chercheuse du Laboratoire de physique des plasmas et produira des propulseurs de ce type. 

Le second axe porte sur l’utilisation de petites décharges de plasma à des fins thérapeutiques, notamment pour les cancers de la gorge et bientôt de la peau. Le plasma constitue une nouvelle approche susceptible de réussir là où des traitements plus conventionnels (chimiothérapies) ont un taux de réussite mitigé. Des expériences in vitro ont déjà été réalisées et la phase in vivo offre des résultats encourageants. Ces recherches très interdisciplinaires sont conduites par le Laboratoire de physique des plasmas, le Laboratoire d’imagerie biomédicale et le Centre d’immunologie et des maladies infectieuses de l’hôpital de la Pitié Salpêtrière. 

En quoi consiste le troisième axe de recherche ?

X. F. : Il s’agit d’une nouvelle piste pour lutter contre l’effet de serre lié à certains gaz (par exemple, le dioxyde de carbone et le méthane), qui est explorée par le Laboratoire de physique des plasmas et un centre spécialisé en mécanique et ingénierie : l’Institut Jean Le Rond d’Alembert. Ces deux laboratoires, dont les expertises sont complémentaires, étudient un procédé couplant plasma et catalyse pour convertir la molécule de CO2 en matière première pour le stockage d'énergie et la chimie verte.

Pour booster ces recherches, les équipes ont été incitées à déposer un projet de doctorat européen conjoint sur le recyclage du CO2, dans le cadre du programme Horizon 2020 de l’UE. L’idée serait de mobiliser les meilleurs laboratoires d’Europe en plasmas et catalyse pour faire travailler simultanément quinze doctorants sur des sujets complémentaires, chacun sous la cotutelle de deux établissements.

Outre le financement de thèses et post doctorats sur les plasmas, quelle est l’action de Plas@Par en formation ?

C. S. : Auparavant, il existait deux parcours de master 2 en physique des plasmas, associant l’UPMC et d’autres établissements franciliens. Depuis la rentrée 2015, ils ont été regroupés en un même parcours, intitulé Physique des plasmas et de la fusion. Le Labex a encouragé ce regroupement pour rationaliser l’offre de formation, donner davantage de visibilité au master et attirer les meilleurs étudiants.

Chaque année, nous finançons également des bourses de mobilité pour accueillir des étudiants étrangers en M2. Là encore, il s’agit d’attirer les meilleurs, qui, ensuite, seront des ambassadeurs du master et du Labex. 

Mais notre action ne s’arrête pas aux futurs spécialistes des plasmas. Nous cherchons à sensibiliser un public beaucoup plus large à l’importance de la physique des plasmas, qui, pour l’instant, est peu enseignée avant le master. 

Comment toucher ce public ?

X. F. : Nous organisons une école d’été internationale pour des étudiants de L3 et M1 en physique ou chimie. A ce niveau, ils n’ont généralement pas entendu parler de physique des plasmas. L’objectif est de leur faire découvrir les différents types de plasmas. Le nombre et la qualité des candidats progressent régulièrement. En 2016, nous avons eu beaucoup de candidatures d’étudiants venus d’établissements européens de premier plan dans le domaine des plasmas et même d’universités américaines. Preuve que nous sommes attractifs ! 

La prochaine étape sera d’étendre la sensibilisation à l’enseignement secondaire. Nous voudrions proposer aux étudiants préparant le Capes et l’agrégation de physique-chimie un stage d’ouverture sur la physique des plasmas : un module assez simple, avec des TP directement reproductibles en collège et lycée, qui leur permettrait de transmettre des connaissances de base sur les plasmas à leurs élèves. 

Quelle est votre action pour stimuler la valorisation des recherches de Plas@Par dans l’industrie ?

C. S. : Chaque année, nous organisons notamment une Journée Industrie. Elle réunit des industriels, qui exposent leurs problématiques autour des plasmas, et des chercheurs du Labex dont les travaux sont susceptibles d’y répondre. 

Nous y invitons également les étudiants de master, les doctorants et les post doctorants. C’est un moyen de les sensibiliser à la R&D dans l’industrie, ce qui est d’autant plus important que les perspectives d’embauche dans la recherche académique deviennent de plus en plus limitées. 

Pour la même raison, nous les sensibilisons à l’entrepreneuriat étudiant. Cette année, nous voudrions par exemple leur proposer un séminaire de plusieurs jours sur la création de start-up, avec la SATT Lutech, d’autres Labex et le pôle Pépite Paris Centre de Sorbonne Universités.

Le projet Plas@Par s’achèvera en 2019. Quels prolongements pourrait-il trouver ?

C. S. : C’est une question que nous avons anticipée. Nous avons mis en place un groupe de travail pour réfléchir à la suite du Labex : quels sont les axes à pérenniser, les sujets qui explosent ou qui émergent et qu’il faudra pousser ? Dans quel cadre le fera-t-on ? Et, bien sûr, avec quels financements ?