Avec des températures sur la lune allant de moins 410 à 250 degrés Fahrenheit, c’est un euphémisme de dire que les humains auront besoin d’habitats chauffés et climatisés pour y survivre à long terme.
Mais les systèmes de chauffage et de refroidissement ne seront pas assez efficaces pour soutenir des habitats pour l’exploration lunaire ou même des voyages plus longs vers Mars sans une compréhension de ce que la gravité réduite fait à l’ébullition et à la condensation. Les ingénieurs n’ont pas réussi à déchiffrer cette science, jusqu’à maintenant.
« Chaque réfrigérateur, chaque système de climatisation que nous avons sur Terre implique l’ébullition et la condensation. Ces mêmes mécanismes sont également répandus dans de nombreuses autres applications, y compris les centrales à vapeur, les réacteurs nucléaires et les industries chimiques et pharmaceutiques », a déclaré Issam Mudawar, Betty de l’Université Purdue. Professeur de la famille Ruth et Milton B. Hollander en génie mécanique. « Nous avons développé plus d’une centaine d’années de compréhension du fonctionnement de ces systèmes dans la gravité terrestre, mais nous ne savons pas comment ils fonctionnent en apesanteur. »
Une équipe d’ingénieurs de Purdue dirigée par Mudawar, qui collabore avec le Glenn Research Center de la NASA à Cleveland, a passé 11 ans à développer une installation pour étudier ces phénomènes.
L’installation s’appelle Flow Boiling and Condensation Experiment (FBCE). Les conceptions initiales ont été testées sur le laboratoire de recherche en apesanteur de Zero Gravity Corporation (Zero-G), un Boeing 727 spécialement modifié qui effectue des manœuvres paraboliques pour créer les gravités réduites sur la Lune et Mars ainsi que les conditions d’apesanteur dans l’espace.
Après les essais en vol, la NASA Glenn et la Division des sciences biologiques et physiques de l’agence ont aidé l’équipe de Mudawar à créer une version plus petite de l’expérience pour s’adapter au Fluids Integrated Rack de la Station spatiale internationale. Après avoir passé les examens de sécurité et de préparation de la NASA, FBCE a été lancé vers la station spatiale en août 2021 et a depuis aidé les chercheurs à commencer à percer le mystère du fonctionnement de l’ébullition et de la condensation dans les environnements extrêmes de l’espace.
Ces réponses se trouvent dans les données que l’équipe recueille à partir de deux séries d’expériences FBCE se déroulant sur la station. En juillet dernier, la première expérience de l’installation a fini de rassembler toutes les données dont Mudawar dit que les scientifiques ont besoin pour comprendre comment la gravité réduite affecte l’ébullition. Dans les mois à venir, l’équipement de la deuxième expérience sera lancé vers le laboratoire en orbite dans le cadre d’une mission de services de réapprovisionnement commercial Northrop Grumman pour la NASA (NG-19) afin de recueillir des données sur la façon dont la condensation se produit dans un environnement à gravité réduite.
Les deux expériences qui composent l’installation resteront en orbite jusqu’en 2025, permettant à la communauté de la physique des fluides dans son ensemble de tirer parti de ces données.
« Nous sommes prêts à littéralement fermer le livre sur toute la science de l’écoulement et de l’ébullition en gravité réduite », a déclaré Mudawar. « Les astronautes sur la lune auront besoin de systèmes de climatisation, de systèmes de réfrigération et de nombreux autres systèmes qui nécessitent tous une ébullition et une condensation. Grâce à la nouvelle compréhension que nous avons reçue des données montrant comment ces phénomènes sont influencés par une gravité réduite, nous sommes en mesure de fournir des conseils sur la façon de dimensionner l’équipement, de le concevoir efficacement et de prévoir ses performances. »
Les chercheurs préparent une série d’articles de recherche déballant les données que le FBCE a recueillies sur la Station spatiale internationale, s’ajoutant à plus de 60 articles qu’ils ont publiés sur l’apesanteur et l’écoulement des fluides depuis le test de leur installation sur les vols Zero-G au début du projet. .
Répondre à des questions vieilles de plusieurs décennies
« Les articles que nous avons publiés pendant la durée de ce projet sont vraiment presque comme un manuel sur la façon d’utiliser l’ébullition et la condensation dans l’espace », a déclaré Mudawar. « Depuis plus de 60 ans, depuis le début des vols spatiaux, le domaine savait que l’ébullition et la condensation seraient idéales pour l’espace, mais les tentatives précédentes pour étudier ces concepts en microgravité n’avaient pas été couronnées de succès. »
Chaque décennie, les National Academies publient un rapport qui guide la NASA, la Maison Blanche et le Congrès sur les domaines de recherche à prioriser pour le financement au cours des 10 prochaines années. Dans le rapport 2011, de nombreux scientifiques ont recommandé que le rôle de la gravité dans le contrôle du comportement vapeur-fluide soit considéré comme l’une de ces priorités pour l’exploration spatiale. Le projet FBCE a été créé en réponse au rapport décennal.
Plus les missions sont éloignées de la Terre, plus il est probable que le vaisseau spatial pour ces missions aura besoin d’énergie nucléaire. Par rapport à d’autres types de processus qui permettent de chauffer et de refroidir l’espace, l’ébullition et la condensation sont beaucoup plus efficaces pour transférer la chaleur pour ces véhicules et habitats à propulsion nucléaire. L’ébullition et la condensation permettraient également aux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation d’être plus compacts et légers.
Depuis les années 1970, Mudawar s’efforce de rendre possible l’utilisation de l’ébullition et de la condensation pour relever les défis du transfert d’énergie et du contrôle de la température pour une large gamme de systèmes. Les exemples incluent les systèmes de turbines à haute température, les superordinateurs, les centres de données, l’avionique, l’électronique de puissance des véhicules hybrides, les piles à hydrogène, le traitement thermique des alliages métalliques, les accélérateurs de particules et les réacteurs à fusion.
Les plus grandes expériences du genre
Selon Mudawar, FBCE est le premier ensemble d’expériences à fournir des données suffisamment étendues et systématiques pour développer les modèles dont les ingénieurs ont besoin pour concevoir toutes sortes de systèmes spatiaux utilisant l’ébullition et la condensation en gravité réduite.
« Nous avons maintenant une base pour comparer et contraster les données à la fois pour la gravité terrestre et la gravité réduite dans la recherche d’outils de modélisation qui peuvent être applicables à une large gamme de gravités », a déclaré Mudawar.
Mudawar et ses étudiants ont développé trois ensembles d’outils prédictifs au cours des 11 dernières années sur la base des données FBCE. Un ensemble d’outils met les données sous forme d’équations que les ingénieurs peuvent utiliser pour concevoir des systèmes spatiaux. Un autre ensemble identifie des informations fondamentales sur la physique des fluides à partir des données, et le troisième ensemble est constitué de modèles informatiques de la dynamique des fluides.
Ensemble, ces modèles permettraient de prédire quelles conceptions d’équipements pourraient fonctionner en gravité lunaire et martienne.
FBCE est la NASA expérience la plus grande et la plus complexe pour la recherche en physique des fluides. Entre février et juillet de l’année dernière, l’installation a mené avec succès 234 tests, produisant près de 3 800 points de données et un nombre égal d’enregistrements vidéo à haute vitesse.
Plus de 35 ingénieurs et techniciens de différentes équipes de la NASA Glenn ont travaillé sur ce projet, aidant à transformer les concepts de conception de Mudawar et de ses étudiants en une installation qui pourrait être installée dans la station spatiale. Ces équipes comprenaient les équipes d’ingénierie FBCE, de sécurité et d’assurance de mission, de science, de logiciel et de technicien de Glenn, ainsi que les équipes d’exploitation des installations de fluides et de combustion.
Quinze Ph.D. Purdue passés et actuels. les étudiants ont aidé Mudawar sur tous les aspects du travail collaboratif avec la NASA. Deux doctorants de Purdue, VS Devahdhanush et Steven Darges, ont participé au suivi des expériences sur la station spatiale via un poste de travail dédié installé à Purdue. L’équipe de Purdue a également fourni des recommandations pour affiner les conditions de fonctionnement des tests ultérieurs afin d’améliorer continuellement le rendement scientifique par test.
Les données du FBCE profiteraient non seulement aux systèmes spatiaux, mais aussi à la technologie sur Terre. En utilisant les leçons qu’ils ont apprises sur l’ébullition à partir de ces données, Mudawar et son équipe ont inventé une nouvelle conception de câble de charge pour les véhicules électriques qui leur permettrait de se recharger en moins de cinq minutes. Les câbles de charge les plus avancés d’aujourd’hui prennent plus de 20 minutes pour recharger un véhicule électrique. Une demande de brevet pour cette invention de câble à charge rapide a été déposée auprès du bureau de commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation.
« La quantité de données provenant du FBCE est absolument énorme, et c’est exactement ce que nous voulons », a déclaré Mudawar.