Chauffage et refroidissement des habitats n’est pas facile : une équipe d’ingénieurs développe une solution plus légère et plus efficace.

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Il est compliqué de garder un vaisseau spatial au frais, par contre les recherches en cours sur la Station spatiale internationale pourraient apporter une solution. AP Photo/Éric Gay

La Chine, l’Inde et les États-Unis ont tous réussi à atterrir sur la Lune dans les années 2020.

Une fois sur place, leur objectif final est d’établir une base. Mais une base réussie – de même que le vaisseau spatial qui y transportera les gens – doit être habitable pour les humains. Et une partie importante de la création d’une base habitable consiste à s’assurer que les systèmes de chauffage et de refroidissement fonctionnent.

Cela est d’autant plus vrai que la température ambiante des endroits potentiels pour une base peut varier considérablement. Les températures équatoriales lunaires peuvent varier de moins 208 à 250 degrés Farenheit (moins 130 à 120 degrés Celsius) – et de même, de moins 225 F à 70 F (moins 153 C à 20 C) sur Mars.

En 2011, les National Academies of Science ont publié un rapport décrivant les recherches en sciences physiques et en sciences de la vie que les scientifiques devraient mener pour que le programme spatial américain réussisse. Le rapport souligne l’obligation de mener des recherches sur les systèmes de chauffage et de refroidissement des structures spatiales.

Je suis professeur d’ingénierie et quand ce rapport a été publié, j’ai soumis une proposition de recherche à la NASA. Je voulais étudier quelque chose appelé le phénomène liquide-vapeur. Comprendre la science derrière ce phénomène aiderait à répondre à ces grandes questions a propos le maintien des structures dans l’espace à une température confortable et habitable.

Plus d’une décennie après avoir soumis une proposition, le projet de mon équipe est dorénavant testé sur la Station spatiale internationale.

Aller dans le sens du courant’

Les systèmes liquide-vapeur – ou systèmes biphasés – impliquent le flux simultané de liquide et de vapeur dans un système de chauffage ou de refroidissement. Bien que de nombreux climatiseurs et systèmes de réfrigération commerciaux sur Terre utilisent des systèmes biphasés, les nombreux systèmes utilisés dans les vaisseaux spatiaux et sur la Station spatiale internationale sont des systèmes purement liquides – ou des systèmes monophasés.

Dans les systèmes monophasés, un liquide de refroidissement se déplace dans le système et absorbe l’excès de chaleur, ce qui augmente la température du liquide. Ceci est similaire à la façon dont les voitures utilisent les radiateurs pour se refroidir. À l’inverse, le liquide chauffé dans le système éjecterait la chaleur vers la zone ambiante, abaissant ainsi la température du liquide à son niveau initial.

Par contre les systèmes liquide-vapeur pourraient transférer la chaleur plus avec efficacité que ces systèmes monophasés, et ils sont beaucoup plus petits et plus légers que les systèmes purement liquides. Quand vous voyagez dans l’espace, vous devez tout emporter avec vous à bord de l’appareil, un équipement petit et léger est donc essentiel.

Deux processus clés se produisent dans un système liquide-vapeur fermé à deux phases. Dans l’un d’entre eux, le liquide se transforme en vapeur au cours d’un processus appelé « ébullition fluide ». Tout comme l’eau bouillante sur la cuisinière, durant l’ébullition, le liquide se réchauffe et s’évapore.

Dans les systèmes utilisés dans l’espace, le mélange biphasique passe par des matériaux d’échange thermique qui transfèrent la chaleur générée par l’électronique, les appareils électriques et bien plus encore dans le mélange. Cela augmente progressivement la quantité de vapeur produite à mesure que le système absorbe la chaleur et convertit le liquide en vapeur.

Ensuite, il y a la condensation d’écoulement, dans laquelle la vapeur se refroidit et retourne à l’état liquide. Pendant la condensation du flux, la chaleur quitte le système en rayonnant dans l’espace.

Les chercheurs contrôlent ces deux processus en boucle fermée afin de pouvoir extraire et employer la chaleur dégagée durant la condensation. À l’avenir, cette technologie serait peut-être utilisée pour contrôler la température dans les engins spatiaux se dirigeant vers la Lune, Mars ou au-delà, ou même dans les colonies ou les habitats localisés sur les surfaces lunaires et martiennes.

Construction et tests

Grâce à la subvention de la NASA pour réaliser ce travail, j’ai conçu un programme expérimental appelé « Flow Boiling and Condensation Experiment ». Mon équipe a construit un système de gestion des fluides pour l’expérience et deux modules de test : un qui nous a aidé à tester l’ébullition en flux et un autre qui nous a aidé à tester la condensation en flux.

L’expérience d’ébullition et de condensation en flux est en cours de tests sur la Station spatiale internationale. 3DSculpteur/iStock via Getty Images

À l’heure actuelle, les équipements utilisés pour chauffer et refroidir l’espace ont été conçus sur la base d’expériences sur la gravité terrestre. Notre expérience d’ébullition et de condensation cherche à changer cela.

Tout d’abord, nous avons testé si le système et les modules que nous avons construits fonctionnaient lorsqu’ils étaient soumis à la gravité terrestre. Une fois que nous avons appris qu’ils l’avaient fait, nous les avons envoyés dans un avion à vol parabolique. Cet appareil simulait une gravité réduite afin que nous puissions avoir une idée de la façon dont le système fonctionnait dans un environnement similaire à celui de l’espace.

En août 2021, nous avons achevé le module d’ébullition en flux et l’avons lancé vers la Station spatiale internationale pour des tests en apesanteur. En juillet 2022, nous avions terminé les expériences d’ébullition. En août 2023, le module de condensation en flux a suivi, et nous commencerons bientôt à travailler sur les tests de condensation finaux.

Répondre à la gravité réduite

Les systèmes à flux liquide-vapeur sont beaucoup plus sensibles à la gravité que les systèmes purement liquides utilisés actuellement, il est donc plus compliqué de concevoir des systèmes fonctionnant sous gravité réduite.

Le dispositif derrière ces systèmes est lié au mouvement du liquide par rapport à la vapeur, et l’apparence de ce mouvement dépend d’un concept appelé flottabilité.

La flottabilité est déterminée par la gravité de même que par la différence de densité entre le liquide et la vapeur. Ainsi, tout changement de gravité affecte la flottabilité du système, et donc le mouvement de la vapeur par rapport au liquide.

Dans l’espace, il y a plusieurs aussi différentes forces de gravité sous lesquelles les systèmes pourraient devoir fonctionner. Les véhicules spatiaux subissent la microgravité – proche de l’apesanteur – tandis qu’un habitat lunaire fonctionnerait dans des conditions de gravité environ un sixième de la force de gravité de la Terre, et un habitat martien fonctionnerait dans des conditions de gravité équivalant aux trois huitièmes de la force de gravité de la Terre.

Notre équipe travaille à la conception de modèles d’ébullition et de condensation en flux pouvant fonctionner sous tous ces niveaux de gravité réduite.

Vapeur se condensant en microgravité dans un module de condensation à flux.

Applications pour les habitats spatiaux

Cet équipement pourrait un jour être utilisé dans un habitat humain sur la Lune ou sur Mars, où il contribuerait à maintenir des températures confortables pour les personnes et les machines à l’intérieur. Une pompe à chaleur utilisant nos systèmes d’ébullition à flux et de condensation à flux pourrait extraire la chaleur dégagée par les astronautes et leurs machines. Il enverrait ensuite cette chaleur collectée hors de l’habitat pour garder l’intérieur frais – de la même manière que fonctionnent les climatiseurs sur Terre.

Les températures dans l’espace peuvent être extrêmes et hostiles aux humains, mais grâce à ces technologies, mon équipe pourrait un jour contribuer à créer des engins et des habitats permettant aux humains d’explorer la Lune et au-delà.

Issam Mudawar reçoit un financement de la NASA.

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