Schéma de principe de la boucle d'essai pour l'ébullition en flux. Crédit :JAXA
À mesure que les vaisseaux spatiaux deviennent plus gros, la chaleur qu'ils produisent augmente également. Cela signifie que les véhicules construits pour l'exploration spatiale à long terme ont besoin de systèmes de refroidissement plus efficaces.
L'enquête sur l'écoulement biphasique examine les caractéristiques de transfert de chaleur de la façon dont les liquides bouillants se transforment en vapeur en microgravité. L'ébullition à écoulement est en ébullition avec un écoulement forcé sur une surface chauffée, tandis que l'écoulement diphasique fait référence aux deux phases - vapeur et liquide - circulant ensemble dans un seul canal ou tube. À l'aide d'une boucle avec un tube chauffant transparent à bord de la Station spatiale internationale, les chercheurs établiront le débit, Puissance de chauffage, rapport de la vapeur au débit total, et d'autres effets dans des conditions différentes. Ces données contribueront à une meilleure compréhension fondamentale du comportement du liquide et de la vapeur et du mécanisme de transfert de chaleur en microgravité.
Sur Terre, cette compréhension a des applications potentielles dans la conception de systèmes de refroidissement pour les ordinateurs hautes performances, serveurs de données, et véhicules électriques.
Satoshi Matsumoto, un scientifique de projet avec l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), dit « Les systèmes de gestion thermique doivent éliminer de grandes quantités d'énergie thermique, transporter la chaleur perdue sur de longues distances jusqu'aux radiateurs, et refroidir les niveaux élevés d'énergie thermique générés par les appareils électriques. Accomplir tout cela nécessite des méthodes plus efficaces pour éliminer l'énergie thermique, et les dispositifs utilisant l'ébullition et l'écoulement diphasique sont plus prometteurs que les méthodes conventionnelles. »
L'ébullition élimine la chaleur en transformant le liquide en vapeur à la surface chauffée. Les systèmes de refroidissement utilisent des condenseurs qui refroidissent la vapeur et produisent de la condensation à la surface de l'unité, transformant ainsi cette vapeur en liquide, dans un cycle continu. Dans un système d'écoulement à deux phases, la chaleur est retirée lorsque le liquide se vaporise pendant l'ébullition, résultant en une évacuation de la chaleur et un transport haute performance.
Les mélanges de liquides et de bulles se comportent très différemment dans l'espace, toutefois.
Le matériel d'expérimentation, qui s'installe dans le petit rack de charge utile polyvalent dans le module KIBO de la station spatiale. Crédit :JAXA
Sur Terre, les bulles générées par l'ébullition quittent la surface du liquide à cause de la force de flottabilité - les bulles sont d'environ 1, 000 fois moins dense que le liquide. Cette force de flottabilité disparaît en microgravité, de sorte que les bulles ne se détachent pas facilement de la surface. Ils forment essentiellement une couche isolante en surface et pourraient diminuer considérablement le transfert de chaleur.
L'enquête établira une base de données utile à la conception de systèmes de nouvelle génération pour la gestion de la chaleur dans l'espace. Actuellement, aucune base de données cohérente n'existe pour les comportements d'écoulement et de transfert de chaleur des mélanges de liquides et de vapeurs utilisés pour l'ébullition en écoulement en microgravité.
"Une base de données d'écoulement diphasique bouillant peut également nous montrer les conditions dans lesquelles l'effet de gravité disparaît, même si le liquide de refroidissement ou la géométrie des tuyaux changent, " a déclaré Matsumoto. " Ceci est important pour la conception de systèmes de refroidissement pour le référencement spatial des résultats de l'expérience orbitale malgré le nombre limité de conditions expérimentales. "
"En résumé, nos objectifs scientifiques sont de clarifier les mécanismes détaillés du transfert de chaleur, établir une carte des forces dominantes, et clarifier les détails des comportements d'écoulement liquide-vapeur, " a déclaré le chercheur principal Haruhiko Ohta, chercheur au Département d'aéronautique et d'astronautique de l'Université de Kyusyu au Japon. "Cette expérience en microgravité fera progresser la compréhension fondamentale de l'écoulement diphasique en ébullition, en particulier la relation entre le transfert de chaleur et le comportement à l'interface."
En outre, La JAXA établira des normes pour les systèmes de gestion thermique des engins spatiaux utilisant des boucles de circulation diphasiques bouillantes, y compris les boucles de caloducs comme méthode passive alternative à la boucle pompée testée dans cette enquête.
Des systèmes de gestion thermique plus performants, dans l'espace et sur Terre, nous aidera à garder notre sang-froid.
