Optimiser les flux d’échange thermique en microgravité

31 juillet 2023

Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

faits vérifiés

source fiable

relire

par la NASA

Avions, trains, automobiles… et vaisseaux spatiaux. Même si ces quatre innovations en matière de transport dépendent du carburant pour produire de l’énergie, un autre élément clé est la gestion thermique. Sans contrôler la distribution et le flux de chaleur à l’intérieur d’un système, tel que la Station spatiale internationale et d’autres engins spatiaux commerciaux, les températures à l’intérieur des vaisseaux ne seraient pas habitables pour les astronautes étant donné les températures extrêmement chaudes et froides de l’espace.

Cette question complexe n'est que l'un des nombreux défis étudiés par les chercheurs en sciences physiques de la NASA au Glenn Research Center dans le cadre de l'expérience d'ébullition et de condensation en flux (FBCE).

Les résultats du module de condensation pour le transfert de chaleur (CM-HT) du FBCE devraient jouer un rôle essentiel dans la conception des futurs systèmes spatiaux et terrestres. Cela comprend la production d’énergie spatiale, l’habitat planétaire, le contrôle de la température des véhicules spatiaux, le stockage de fluides cryogéniques, la gestion des déchets, la recharge des véhicules électriques, le refroidissement des avions de chasse sous différentes charges g et les piles à combustible régénératives.

Les objectifs scientifiques du CM-HT visent à générer une base de données sur la condensation en flux qui sera utilisée pour évaluer le transfert de chaleur par condensation en microgravité ainsi qu'à développer des critères d'indépendance gravitationnelle de la condensation en flux. Ces critères seront utilisés pour concevoir des condenseurs à flux efficaces pour les applications spatiales. Des modèles prédictifs mathématiques de condensation d'écoulement, des modèles de dynamique des fluides computationnelle (CFD) et des corrélations de conception seront développés pour les applications de conception.

Le FBCE servira de plate-forme principale pour obtenir des données sur le transfert de chaleur en ébullition et en condensation en microgravité. Le module de test CM-HT comportera un tube en acier inoxydable à paroi mince positionné de manière concentrique le long d'un autre canal cylindrique formé dans un matériau hautement isolant thermique.

La vapeur du fluide d'essai s'écoulera à travers le tube interne et se condensera en rejetant la chaleur vers un contre-courant d'eau à travers l'espace annulaire. La faible conductivité thermique de la paroi externe du canal garantira que toute la chaleur est transférée entre les deux fluides. En raison de sa faible conductivité thermique par rapport aux autres métaux, l'acier inoxydable minimise les effets de conduction axiale, permettant un transfert de chaleur principalement radial entre les fluides.

En comparant les données de transfert de chaleur en microgravité avec les données obtenues sur la gravité terrestre, il sera possible de vérifier l'influence des forces corporelles sur les phénomènes de transport diphasique en recherchant des modèles mécanistes ainsi que des corrélations, et d'aider à déterminer les critères de débit minimum pour assurer une ébullition et une condensation à flux indépendant de la gravité.

L'écoulement diphasique à faible vitesse en microgravité pose de sérieux défis que l'on ne rencontre généralement pas dans le cadre de la gravité terrestre. À mesure que le niveau de gravité diminue, un nouvel équilibre entre en jeu entre les forces d’inertie, de surface et du corps, de sorte que la mécanique de base de la structure interfaciale de l’écoulement change radicalement. Pour étudier ces effets, l’installation FBCE a été installée sur le laboratoire orbital ISS Fluid Integrated Rack (FIR) qui offre un excellent environnement de microgravité pour la recherche sur les écoulements diphasiques.

L'ébullition et la condensation ont été identifiées comme deux mécanismes clés du transport de chaleur qui sont essentiels pour parvenir à une réduction du poids et du volume, ainsi qu'à l'amélioration des performances des futurs systèmes spatiaux. Les résultats de cette enquête soutiendront à terme l'optimisation de la conception de chaudières à flux et de condenseurs à flux pour une utilisation dans des missions de longue durée avec une demande de puissance élevée dans l'environnement de microgravité. Des chaudières et des condenseurs efficaces permettent une utilisation efficace de l'énergie lors de missions de longue durée. Étant donné que les systèmes spatiaux fonctionnent avec un budget énergétique limité, imposer des contraintes strictes sur la puissance disponible bénéficiera également aux économies d'énergie des missions.