À la conquête de l’espace : le refroidissement

Cette série d’articles va vous permettre de découvrir les travaux scientifiques et les méthodes de tests nécessaires avant tout lancement de fusées du point de vue d’un thésard qui travaille pour le Centre National d’Études Spatiales (CNES) au CNRS.

 Il y a quelques jours, l’ESA (Agence Spatiale Européenne) a choisit Astrium UK (filiale du géant EADS) pour lancer le projet Solar Orbiter qui va observer le soleil afin de percer les secrets de l’héliosphère (l’atmosphère du soleil). La coquète somme de 300 millions d’euros va être utilisée dans ce projet. Et je suppose que là, vous vous dites “C’est pas un peu cher pour lancer une boîte de conserve dans le soleil ?” En effet, vu sous cet angle, la facture s’annonce affreusement élevée mais il y a, derrière ce lancement beaucoup plus que vous pouvez l’imaginer. De nombreux scientifiques et ingénieurs travaillent dans l’ombre pour faire voler le projet ! Visite guidée…

Le lancement de Solar Orbiter est prévu en 2017 et a pour mission d’aller à moins de 45 millions de kilomètres du soleil pour observer les vents solaires et tenter de comprendre comment le puissant champ électrique solaire est généré. Pour info, la Terre se situe à 150 millions de kilomètres en moyenne (la distance dépend de l’orbite de la Terre) et Mercure, la planète la plus proche du Soleil, à 58 millions de kilomètres. Autant dire que notre petit Orbiter va avoir chaud, très chaud…

Première étape : refroidir le satellite solaire ! Direction le laboratoire IUSTI à Marseille où l’on travaille sur les transferts de chaleur.

Refroidissement par convection

Convection naturelle dans une casserole - L'eau chaude monte et laisse la place à l'eau froide, refroidissant le fond de la casserole.

Pour refroidir un système énergétique, on peut utiliser la convection. Un fluide chaud, plus léger qu’un fluide froid, va monter grâce à la poussée d’Archimède. Le “vide” laissé par l’air chaud en s’élevant va être comblé par de l’air frais provenant loin de la source de chaleur. Ainsi, un écoulement se crée et refroidit constamment le système chauffant. Simple et efficace ! Seulement voilà, la convection dépend de la gravité. Sur Terre, on observe facilement que l’air chaud monte et que l’air froid reste au sol. En revanche, dans notre Orbiter, pas de gravité. On peut donc oublier la convection, il faut trouver un autre moyen qui ne dépend pas de la gravité.

Refroidissement par changement de phase

Jusqu’à présent, nous n’avons rien trouvé de mieux pour refroidir les systèmes énergétiques que l’évaporation de fluides. Une goutte absorbe une portion importante de la chaleur disponible pour s’évaporer : la chaleur latente de vaporisation. C’est ce phénomène qui refroidit nos cocktails quand on y ajoute des glaçons : il ne faut pas croire que la glace refroidit le liquide parce qu’elle est plus froide. Quand on met de la glace dans sa boisson, la glace va changer de phase pour devenir de l’eau liquide. Ce phénomène est gourmand en énergie et va pomper de la chaleur directement dans le verre, rendant la boisson froide. Il en est de même quand on souffle sur nos mains mouillées : l’eau va s’évaporer et l’on sent un refroidissement.

Afin de mieux comprendre le phénomène d’évaporation, on travaille sur l’évaporation de l’éthanol, car ce fluide a une température d’ébullition plus faible que l’eau (79°C au lieu de 100°C à pression atmosphérique) ce qui rend les expériences plus faciles. Je vous propose, afin de mieux comprendre, de regarder la vidéo ci-dessous. Il s’agit de l’évaporation d’une goutte d’éthanol de 3mm de diamètre sur support constamment chauffé à 50°C. Le tout est filmé avec une caméra HD sur le côté (pour mesurer le diamètre, la hauteur et l’angle de contact) et avec une caméra infrarouge sur le dessus (pour observer la circularité de la goutte et les mouvements thermiques). Une caméra infrarouge permet d’obtenir une image thermique indiquant la température à chaque point de l’image. J’attire votre attention sur les bords de la goutte.

Sur le bord de la goutte, des petites ondes se déplacent toutes dans le même sens. Ce mouvement n’est pas dû à la convection mais à l’influence de la température sur la tension de surface du fluide. En effet, le sommet de la goutte (appelé apex) est plus froid que le substrat qui est maintenu à température constante. Cette différence de température crée un écoulement qui aurait tendance à augmenter le débit d’évaporation.

Applications

Le but de ces expériences est de mieux comprendre le phénomène d’évaporation et de trouver des solutions pour obtenir un refroidissement le plus efficace possible. Ainsi, pour notre satellite solaire, le changement de phase va être utilisé. Un ingénieux système de circuit fluide refroidissant va courir dans tout le satellite. Dans un évaporateur, le fluide va être évaporé pour refroidir les parties créatrices de chaleur (appareils électriques, face côté soleil…), puis une fois sous forme vapeur, le fluide sera condensé dans une autre partie du satellite pour être utilisé de nouveau dans l’évaporateur. Ce système est très efficace et l’on s’en sert déjà dans les réfrigérateurs ou les climatiseurs, et même dans les centrales nucléaires : les grosses tours qui crachent de la vapeur d’eau sont en fait de simples évaporateurs !

Ce sujet a déjà beaucoup avancé et l’on commence à s’intéresser à d’autres configurations. Je conseille d’ailleurs à ceux d’entre vous qui souhaiterez en savoir plus sur l’évaporation de gouttes, d’aller faire un tour sur le site de l’IUSTI. Toutes les publications scientifiques sur ce sujet sont disponibles au téléchargement.

Si faire évaporer des gouttes est d’une simplicité sur Terre, il en est tout autrement en apesanteur. Les gouttes ont la facheuse tendance de vouloir s’envoler et flotter dans les airs ! Un test technique s’impose donc… Dans le prochain article, je vous ferai faire le tour de toutes les techniques utilisées par les scientifiques pour tester leurs expériences et pour obtenir de la micropesanteur (état d’apesanteur artificiel), du plus évident (aller dans l’espace) au plus ingénieux !


Sources :

Solar Orbiter @ESA: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=45
Site de l'IUSTI: http://iusti.univ-provence.fr/document.php?pagendx=11287&project=iusti



2 commentaires

  1. [...] le premier article de cette série, je vous ai parlé de Solar Orbiter, notre petit projet spatial qui permettrait [...]

  2. [...] Cela doit faire à coup sûr palpiter certains rédacteurs de ce blog travaillant sur le projet Solar Orbiter… Espace NASA Soleil Vénus [...]

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