Les « Reims-doigts » s’amusent

Champagne !

En débouchant du champagne, des scientifiques découvrent l’existence d’un fugace panache bleu mettant en émois la communauté scientifique et les connaisseurs de la divine-boisson.
Y’aurait-il de l’hydrogène caché dans les « Dom Pérignon » ?
Les physiciens de l’équipe « effervescence » de l’université de Reims ont heureusement trouvé une explication rationnelle à ce phénomène.


Ce surprenant panache bleu sortant d’une bouteille de champagne, vous ne l’avez jamais vu. Et pour cause : Il intervient pendant les deux premières millisecondes après l’échappement du bouchon. Trop rapide, donc, pour l’œil humain. Ce qui explique qu’on ne s’en était jamais inquiété.
Même les physiciens de l’équipe « effervescence », de l’université de Reims l’ont mis en évidence un peu par hasard. Son responsable, Gérard Liger-Belair, raconte : « Nous travaillons beaucoup sur les bulles, plus particulièrement sur le champagne, et nous voulions mesurer la vitesse d’expulsion du bouchon. Nous avons donc loué une caméra ultrarapide pour une journée et le technicien capable de l’utiliser. La surprise est venue en observant les photos. Un panache bleu. Ce que nous n’avions jamais vu, la caméra l’avait saisi. »


La vidéo a pu déterminer la durée du phénomène : 2 millisecondes, 3 tout au plus. Et apporter une précision notable : Le panache azur n’apparaît qu’avec des bouteilles suffisamment chaudes. À 6 ou 12 °C, la sortie du goulot ne laisse voir que le léger brouillard de condensation de l’air ambiant, familier des amoureux de boissons gazeuses. À 20 °C, en revanche, c’est bien du bleu qui accompagne l’expulsion du bouchon.
Après tout de même deux ans de recherche, l’équipe rémoise a trouvé l’explication, publiée jeudi 14 septembre dans la revue Scientific Reports.
La couleur provient de la condensation, non pas de la vapeur d’eau de l’air ambiant, mais du gaz carbonique contenu dans le goulot !
C’est le gaz carbonique dans le goulot et à l’extérieur qui subit ce phénomène.


Petite explication technique : Lors de l’expulsion, le gaz contenu dans la bouteille subit ce que l’on nomme une « expansion adiabatique ».
Pendant les premiers instants, il n’échange aucune énergie avec le milieu extérieur.
En revanche, son volume disponible se trouve brutalement étendu. La pression chute.
Pour conserver son équilibre, le système va donc voir sa température baisser tout aussi brutalement. « Et plus la température de la bouteille est élevée, plus celle du gaz va être basse », souligne Gérard-le-physicien.
Un constat contre-intuitif mais assez aisé à expliquer : En effet, plus la température est élevée, plus la pression dans la bouteille est importante. « 5 bars à 6 °C et jusqu’à 8 bars à 20 °C ».
Et plus forte est la décompression, lors de l’ouverture de la bouteille. Pour rester à l’équilibre, le gaz voit donc sa température baisser d’autant.


Les chercheurs ont ainsi constaté que dans une bouteille à 6 °C, le gaz expulsé atteint la température déjà respectable de – 75 °C. Mais à 20 °C, le CO₂ descend jusqu’à – 88 °C, sous le point de congélation.
Et ce sont ces minuscules cristaux de CO₂, d’une taille inférieure à la longueur d’onde de la lumière, qui, à la manière du ciel au-dessus de nos têtes, vont diffuser la lumière bleue.
Un phénomène extrêmement fugace : « Deux millisecondes plus tard, les échanges avec l’air ambiant font remonter la température. » Le CO₂ redevient gazeux. Et le panache s’évanouit.


Vous avez tout compris ? Alors une dernière précision : Les chercheurs ont montré que la congélation du CO₂ exige la présence de cristaux de glace. Mais la nature est bien faite : Le champagne ne manque pas d’eau. Dans le goulot, à mesure que la température baisse, des microparticules de glace apparaissent − on se souvient que l’eau gèle à 0 °C − et agissent comme catalyseur pour condenser le gaz carbonique. « En réalité, le panache est donc composé de cœurs de glace d’eau enrobés de cristaux de CO₂ », conclut l’étude.


Si, comme nous l’avons vu, l’observation du phénomène doit beaucoup au hasard − et à l’idée presque sacrilège d’ouvrir une bouteille de champagne à 20 °C −, sa compréhension est née de la curiosité scientifique. « Nous avons été mis sur la voie par la physique des gaz d’échappement des fusées. Dans les tuyères, un phénomène similaire se passe, sauf que cette fois c’est le gaz carbonique qui sert de catalyseur à l’azote. »
Le catalyseur catalysé… D’Ariane au champagne, il n’y avait plus qu’un pas.


Et c’est à peu-près ce qui m’a fait penser aux « tubes de Ranque-Hilsch ». La thermodynamique est une science formidable et pleine de surprise.
Le « tube de Ranque-Hilsch » est connu dans le monde industriel sous le nom de « tube vortex ».
Sans aucune pièce en mouvement, il permet de produire de l’air froid.
Il doit être alimenté en air comprimé (5 à 10 bars) très sec et propre (filtration 5 µm) qui arrive dans le tube de façon tangentielle.
En manipulant la valve de sortie, plus ou moins ouverte, il permet de régler le couple débit/refroidissement de la sortie froide : Plus le volume de sortie est grand, moins la chute de température est importante.
Fabriqué dans des dimensions de 10 à 40 cm de long et de 1 à 5 cm de diamètre, il peut atteindre une différence de température de 70 °C entre l’air entrant et le côté froid et autant du côté opposé ou est expulsé l’air chaud.
Dans ces hypothèses, la puissance frigorifique est de l'ordre de 3 kW (puissance qui est fonction du volume d’air traité par le Tube à Vortex).


Le « tube à Vortex » fait du bruit mais peut fonctionner avec n’importe quel gaz qui ne se condense pas aux températures produites. Il ne peut cependant pas fournir de gaz sous pression et la contrepression admissible en sortie froide est assez faible (0,2 bar maxi).
La théorie la plus courante serait que l’air injecté tangentiellement crée par effet vortex un écoulement tourbillonnaire extrêmement rapide (un million de tours par minute) et est freiné par une valve conique.
L’échange de chaleur avec l’onde produite en retour refroidit l’air réfléchi.


Pourtant, d’après le second principe de la thermodynamique, il est impossible de refroidir un corps froid grâce à un autre plus chaud sans dépenser d’énergie. Et c’est pourtant ce que semble faire ce dispositif.
Mais en considérant l’ensemble du système, compresseur et tube de Ranque-Hilsch, il devient clair que c’est le compresseur qui fournit ce travail…
Idem dans notre bouteille de champagne, sauf que le compresseur, c’est le vin pétillant lui-même qui fournit le « travail ».

En 2010, les principes de fonctionnement du tube ne sont pas complètement élucidés. Son action est liée à la compressibilité du fluide, car il est totalement inopérant avec un liquide.

Mais diverses utilisations de traitement des gaz ont été ou sont encore étudiées. Elles se heurtent toutes au faible rendement de l’ensemble compresseur et tube, de l’ordre de 0,10 alors que celui d’un réfrigérateur atteint 10.

Mais on peut produire de l’air liquide avec une cascade de tubes, ou s’amuser à séparer des gaz de densités différentes.

Le tube à vortex a le grand avantage de ne pas comporter de pièce mobile, ce qui minimise les pannes et le coût d'entretien. Quant à la température de l’air froid produit pouvant descendre jusqu’à – 45° environ dans les utilisations en atelier, avec un débit calorique allant jusqu’à 2 500 kcal/h, il est couramment utilisé pour refroidir des outils de coupe sur machine-outil, des moules d’objets en polymères, des dispositifs électroniques. Combiné avec une veste à circulation d’air, le tube à vortex permet aussi d’améliorer les conditions de travail en milieu confiné ou chauffé, d’autant que l’air comprimé est assez fréquent dans les usines…

Bonne fin de journée à toutes et à tous !

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