Sandia National Laboratories utilise sa tour solaire pour aider à évaluer l'impact des changements de température extrêmes sur les matériaux.

Les tests, maintenant dans leur deuxième année, tirer parti de la capacité de l'installation nationale d'essais thermiques solaires de Sandia à simuler une augmentation très rapide de la température suivie d'une diminution tout aussi rapide. Les tests sont destinés à l'armée de l'air et se poursuivront pendant au moins un an.

Les chercheurs ont mis un échantillon de 4 pouces sur 4 pouces de matériau composite, appelé un coupon, dans une chambre d'essai, puis l'exposer à une explosion de chaleur intense. Différents coupons sont faits de différents types de matériaux.

Les fours spécialisés peuvent atteindre les températures nécessaires, mais les fours ne peuvent pas chauffer ou refroidir rapidement. "Et il est difficile de coller un coupon très rapidement et de le retirer ensuite, " a déclaré l'ingénieur d'essai Josh Christian. " Notre installation est vraiment efficace pour fournir un taux de rampe rapide pour ces courbes de chauffage, et nous pouvons également produire une courbe de fuite en déplaçant nos miroirs de manière à éliminer la chaleur de l'échantillon."

Le coupon est placé au ras d'une paroi d'une chambre d'essai, essentiellement une boîte, face à une fenêtre en quartz qui laisse entrer la chaleur produite par les miroirs. Les tests, qui utilisent environ un quart du champ de l'héliostat, peut changer les niveaux de chaleur au besoin.

Initialement, les volets coulissants devant la fenêtre sont fermés. L'équipe de la tour solaire concentre la lumière réfléchie par les héliostats sur un panneau d'étalonnage et utilise une jauge de flux thermique pour mesurer la puissance qui frappera l'échantillon. Ensuite, ils déplacent cette lumière réfléchie sur les volets. Une fois prêt, les volets s'ouvrent et se ferment très rapidement pour produire les courbes de chauffe nécessaires sur l'échantillon. À la fois, une soufflerie avec un ventilateur à une extrémité force l'air à travers l'échantillon, simuler le refroidissement par convection. Le refroidissement par convection a un impact sur le taux de chauffage car avec le refroidissement par convection, les matériaux survivent plus longtemps sous une chaleur intense.

L'échantillon peut être chauffé plusieurs fois

Les chercheurs peuvent soumettre un échantillon à la chaleur plusieurs fois pour établir des seuils de réponse matérielle après exposition.

"La chaleur entre, nous fermons, c'est la fin du test, " Christian a déclaré. "Nous faisons cela à plusieurs reprises, 10 à 30 fois par jour."

Avant et après un essai, une autre équipe de Sandia vérifie l'échantillon avec un scanner 3D, qui détermine si les bulles ou la texture produites par la chaleur changent dans le matériau, dit Christian.

Un autre groupe de chercheurs de Sandia prend des mesures de réflectivité, c'est-à-dire la quantité de lumière réfléchie par la surface. Par exemple, si un échantillon absorbe 90 pour cent de la lumière et réfléchit 10 pour cent, alors 10 pour cent de la lumière ne l'a pas chauffé. Josh a dit que c'était important parce que dans la vraie vie, les matériaux à haute valeur réfléchissante chauffent plus lentement.

Une troisième équipe utilise des méthodes non destructives pour regarder à l'intérieur de l'échantillon après un test, vérifier les changements sous la surface, ce qui est particulièrement important pour les structures complexes constituées de plusieurs matériaux différents.

Les tests se poursuivent toute l'année

Les tests ont lieu toute l'année, mais le programme de l'Air Force ne teste pas tous les jours puisque la tour solaire fait également des tests pour d'autres programmes. L'été dernier, par exemple, Christian estime que 30 à 40 jours ont été consacrés au projet. Les tests se poursuivent en hiver, mais les périodes d'essai sont plus courtes en raison de l'angle du soleil par rapport aux miroirs.

« Pour notre établissement, il s'agit d'un test majeur qui a commencé à devenir une routine car nous avons testé des centaines d'échantillons, " dit Christian, qui travaille à la tour depuis huit ans.

Le projet a également conduit à des améliorations à l'installation nationale d'essais thermiques solaires, incluant un nouvel algorithme de suivi des héliostats et des techniques avancées de caractérisation des flux thermiques, qui permet aux chercheurs de quantifier la chaleur appliquée aux échantillons. Connaître la chaleur exacte appliquée est essentiel pour comprendre dans quelles conditions les matériaux peuvent survivre, et les chercheurs ont développé de nouveaux outils pour aider à effectuer cette analyse.

Les miroirs se déplacent avec le soleil pour garder une tache réfléchie sur la tour solaire, « mais nous trouvions qu'à certains moments de l'année et à certains moments de la journée, l'endroit ne serait pas là où nous l'avions prévu à cause d'imperfections dans la façon dont les miroirs ont été installés, " dit Christian. Alors, il a dit, les chercheurs ont développé des algorithmes pour améliorer le suivi, qui aide non seulement le projet de l'Air Force mais aussi la tour de Sandia dans son ensemble et potentiellement d'autres installations qui utilisent des héliostats, comme les sites qui produisent de l'électricité.

La tour a fait des tests pour d'autres agences, dont la NASA, et d'autres projets pour l'armée de l'air. Sandia a commencé les tests pour ce projet l'année dernière. "Maintenant, c'est devenu un succès de notre côté comme du leur, " dit Christian.