(Phys.org)—Normalement, lorsqu'un liquide est chauffé au-dessus de son point d'ébullition, il s'évapore, se transformer en vapeur. Mais lorsque des scientifiques ont récemment effectué une expérience sur la Station spatiale internationale (ISS), ils ont observé que la vapeur près d'un caloduc se condensait en un liquide même lorsque la température était de 160 K au-dessus du point d'ébullition normal de la substance. Les résultats montrent que la microgravité modifie significativement les processus d'évaporation et de condensation, mais les scientifiques n'ont pas encore d'explication complète du phénomène.

L'équipe de recherche, composé de scientifiques du Rensselaer Polytechnic Institute et du NASA Glenn Research Center, ont publié un article sur les observations surprenantes dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Ce n'est pas la première fois qu'un comportement inattendu dans les caloducs, qui sont des dispositifs utilisés pour refroidir les composants d'un engin spatial, a été observé en microgravité. En 2015, bon nombre des mêmes chercheurs ont fait un rapport, observation contre-intuitive lors d'expériences menées sur l'ISS.

À ce moment-là, les chercheurs ont observé que l'augmentation de l'apport de chaleur à un caloduc ne faisait pas sécher l'appareil près de l'extrémité chauffée comme c'est le cas sur Terre, mais au lieu de cela, cela a causé une accumulation de liquide là-bas. À l'époque, les processus responsables de ce phénomène n'étaient pas complètement compris.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont effectué une expérience similaire de caloduc avec du pentane et ont découvert que, à mesure que l'apport de chaleur à la surface augmente, la quantité de condensation a augmenté. Ils ont observé l'effet à des températures allant jusqu'à 160 K au-dessus du point d'ébullition normal du pentane, le point auquel l'expérience a atteint ses limites de sécurité. En général, liquide au-dessus de son point d'ébullition est dit être dans un état "surchauffé". Ici, les chercheurs décrivent l'extrémité chaude du caloduc comme étant inondée de liquide surchauffé.

Bien que les chercheurs n'aient pas d'explication théorique complète sur les causes de ce phénomène de condensation, ils savent d'après des recherches antérieures que cela est dû en partie à l'effet Marangoni. Cet effet provient des caractéristiques physiques du caloduc. Un caloduc a une extrémité chauffée et une extrémité refroidie, ce qui crée un gradient de température primaire le long de l'axe chaud-froid du tuyau. Mais comme le film liquide sur la surface du caloduc n'est pas uniforme, le gradient de température est tridimensionnel et varie sur toute la surface du tuyau.

Ces gradients de température, à son tour, créer des gradients de tension superficielle. Cela conduit alors à l'effet Marangoni, qui se produit lorsque le liquide plus froid, qui a une tension superficielle plus élevée que le liquide plus chaud, attire le liquide plus chaud vers lui. À la fin, l'effet produit des flux entraînés par Marangoni - un de l'extrémité chauffée à l'extrémité refroidie, et un autre du centre du tuyau à ses bords. Ces écoulements se produisent même dans la "zone d'évaporation" chaude du tuyau, et ils génèrent une instabilité dans la couche liquide qui renforce la condensation. Les scientifiques soupçonnent également que les micro- ou nanoparticules à la surface des tuyaux amplifient les perturbations naturelles et contribuent ainsi à initier la condensation dans ces régions.

Comme l'expliquent les scientifiques, la raison pour laquelle cette condensation est facilement observable dans un environnement de microgravité mais pas sur Terre est que la gravité plus forte sur Terre restreint le flux de retour de liquide de l'extrémité refroidie à l'extrémité chauffée du caloduc, ce qui réduit considérablement les forces de Marangoni. Néanmoins, les scientifiques notent que le phénomène de condensation se produit sous la gravité terrestre, mais à plus petite échelle, et se confond facilement avec une contamination de surface.

Globalement, les scientifiques expliquent que le comportement inhabituel des fluides est scientifiquement intéressant pour plusieurs raisons.

"Il y a deux aspects fondamentalement intéressants à l'étude, " a déclaré le coauteur Joel Plawsky du Rensselaer Polytechnic Institute Phys.org . "Le premier est le comportement émergent qui vient d'avoir un système fermé. Ni le phénomène d'inondation dont nous avons été témoins en 2015 ni le phénomène de condensation auquel nous avons assisté ici n'ont été observés dans des systèmes plus ouverts où il n'y avait que de l'évaporation ou de la condensation. Dans ce système, étant donné que le liquide condensé et le liquide d'évaporation sont en communication constante l'un avec l'autre, des comportements fluides plus inhabituels apparaissent.

"Le deuxième aspect intéressant est l'importance des forces interfaciales et surtout intermoléculaires, même s'ils fonctionnent à des échelles de longueur de plusieurs ordres de grandeur plus petites que l'échelle du caloduc. Dans ce cas, les forces intermoléculaires de restauration contribuent à alimenter localement la condensation, et cela se traduit par de grands changements dans l'épaisseur du film qui peuvent être observés globalement. De nouveau, cela ne se produit que si toutes les échelles de longueur peuvent échanger des informations entre elles comme elles le peuvent dans un cadre fermé, système de caloduc."

En plus d'être d'un intérêt fondamental, les résultats pourraient aider les scientifiques à comprendre les limites des caloducs en tant que dispositifs de refroidissement pour les engins spatiaux, et guider la conception de versions améliorées. En attendant, les chercheurs prévoient d'étudier plus avant le comportement des fluides en microgravité grâce à des expériences modifiées.

"Nous, et plusieurs autres, ont montré que l'ajout d'un deuxième composant chimique au système peut annuler certaines des caractéristiques néfastes observées lors d'un fonctionnement avec un fluide pur, " a déclaré Plawsky. " Nous allons essayer des expériences, similaires à ceux que nous avons déjà exécutés, avec des mélanges fluides. Dans ces cas, Marangoni souligne, entraînés par des gradients de température, peuvent être compensés par des contraintes opposées entraînées par des gradients de composition. Cependant, puisqu'on a maintenant ajouté un autre degré de liberté en ajoutant le deuxième composant, Additionnel, des phénomènes inattendus peuvent apparaître."

Il a ajouté que, si l'ISS devait être équipée d'une capacité de capture d'images à grande vitesse, cela permettrait aux chercheurs d'étudier la nature exacte de l'instabilité et comment l'instabilité change en fréquence et en amplitude à mesure que l'apport de chaleur dans l'appareil est modifié.

"Il est question de développer une installation de caloduc sur la Station spatiale internationale, " a-t-il dit. " Si cela pouvait être construit, il serait très intéressant de pouvoir étudier des géométries alternatives comme les boucles à pompage capillaire, tuyaux de section transversale triangulaires, ou caloducs oscillants à plusieurs branches et voir s'il y a des phénomènes inattendus à grande échelle qui se développent. Toutes ces expériences se feraient avec des systèmes transparents. Même si un système transparent ne fonctionnera pas aussi efficacement qu'un système métallique, il offre l'avantage de pouvoir voir où se trouvent le liquide et la vapeur et de mieux comprendre la dynamique des fluides se produisant à l'intérieur."

© 2017 Phys.org