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L’ébullition en microgravité dans une bouilloire high-tech

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A bord de la station spatiale internationale, les expériences se succèdent. Le 9 septembre 2019, après deux jours de préparation par l’astronaute Luca Parmitano, le laboratoire des sciences des fluides (FSL) était prêt à accueillir une nouvelle expérience. Il était temps que le conteneur expérimental "Reference mUltiscale Boiling Investigation" (RUBI) se mette à chauffer. Le but de cette expérience était d’étudier les phénomènes de base des processus de transfert de chaleur par ébullition sur une surface chauffante. Au B.USOC, les opérateurs ont travaillé sans relâche durant 6 mois effectuant pas moins de 2100 tests, chacun avec des paramètres différents.
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Après la fin de la mission CompGran en 2019, le conteneur expérimental RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation) a été installé, non sans heurts. Après un retard d’un mois dû à un câble d’alimentation défectueux, l’expérience a finalement pu commencer.

L’expérience

Le cœur de l’expérience RUBI est la cellule d’ébullition avec boucle à convection force (FCL) intégrée et un réchauffeur de substrat. Cette cellule d’ébullition est remplie de N-perfluorohexane, qui est le composant principal du FC-72, un liquide de refroidissement électrique. Le processus d’ébullition se déroule au niveau du réchauffeur de substrat, initié par la surchauffe locale d’un site de nucléation artificiel à l’aide d’un spot laser focalisé.

La distribution de la température de la surface du réchauffeur de substrat est mesurée depuis l’arrière par une caméra IR à grande vitesse, tandis que les formes des bulles sont capturées par une caméra noir et blanc à grande vitesse. Après un certain temps cependant, la caméra IR a cessé de fonctionner, ce qui a malheureusement réduit les résultats scientifiques.

La cellule d’ébullition est équipée d’un système de contrôle thermique permettant de réguler la température dans une fourchette de 30°C à 70°C. De plus, la pression absolue à l’intérieur de la cellule d’ébullition peut être ajustée à l’aide d’un système de contrôle de la pression du compresseur à soufflet, ce qui a des effets différents sur l’expérience.

Pourquoi dans l’espace?

L’objectif de l’expérience centrale est d’amorcer une seule bulle de vapeur sur un réchauffeur en ébullition, d’observer une ou plusieurs bulles stables dans des conditions limites définies et d’obtenir ces données pour différents flux de réchauffeur. Les conditions limites seront définies par la présence d’un champ électrique réglable à proximité, créé par une électrode en forme de rondelle réglable au-dessus de la surface du chauffage du substrat, et d’un flux de cisaillement créé par le FCL.

Dans l’espace, il y a peu ou pas d’effet de la gravité comme la convection thermique ou les bulles qui montent à la surface. Par conséquent, l’expérience RUBI peut se concentrer sur la modélisation améliorée des processus d’ébullition, qui s’applique alors également à l’ébullition sous gravité avec une variété d’applications dans l’industrie chimique et la technologie énergétique.

En outre, les résultats seront appliqués à la conception de futures applications spatiales telles que:

  • les boucles de refroidissement à deux phases
  • le stockage de combustible cryogénique
  • le refroidissement de dispositifs électroniques

Après le succès de la première mission RUBI, il a été décidé d’effectuer une extension de cette mission sous la forme de RUBI-X. Démarré le 15 octobre 2020, RUBI-X reprend là où la mission précédente s’est arrêtée en effectuant des tests supplémentaires avec différentes combinaisons de paramètres.

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Les opérateurs du B.USOC au travail avec RUBI. Crédit: B.USOC
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Luca Parmitano installant RUBI à l’intérieur du module Columbus à bord de l’ ISS. Crédit: ESA