La recherche sur les flux à la périphérie de l'espace
Des expériences en apesanteur isolent le phénomène de diffusion classique
Depuis des années, divers modèles ont été mis au point pour décrire une catégorie importante d'effets de mélange qui se produisent, par exemple, dans l'écoulement d'un réacteur chimique. La validation expérimentale a toutefois pris beaucoup de retard en raison de la superposition des effets de la gravité. Une équipe de recherche européenne composée du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de partenaires de l'Université de Szeged (Hongrie) et de l'Université libre de Bruxelles (ULB, Belgique) vient de combler cette lacune grâce à des expériences menées en apesanteur. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Nature npj Microgravity.
Les fronts dits de réaction-diffusion se produisent lorsque deux produits chimiques réagissent l'un avec l'autre et s'étalent en même temps. Les scientifiques peuvent utiliser cet effet pour modéliser et mieux comprendre des problèmes en chimie et en physique, mais aussi dans des domaines complètement différents comme le monde financier ou la linguistique, car les équations mathématiques sous-jacentes ont les mêmes caractéristiques. Les choses se compliquent lorsque les chercheurs combinent ces réactions avec des flux. Les processus de ce type sont importants pour les applications technologiques liées aux processus de combustion, à la géologie, à la production de matériaux spécifiques et au stockage du dioxyde de carbone. Malgré la pléthore d'applications, des éléments essentiels de ces systèmes ne sont pas encore parfaitement compris.
"Jusqu'à présent, les expériences visant à vérifier les modèles de ces processus ont été faussées par les effets de flottabilité causés par les différences de densité entre les solutions de réaction. Afin d'isoler ce problème, nous avons mené des expériences en apesanteur à bord d'une fusée-sonde. Nos partenaires ont effectué des simulations numériques parallèles pour montrer l'importance des effets bidimensionnels qui ne peuvent pas être pris en compte dans les modèles unidimensionnels simples", explique Karin Schwarzenberger, de l'Institut de dynamique des fluides du HZDR, en décrivant le travail de son équipe.
Décollage de la fusée au cercle polaire
L'expérience a eu lieu le 1er octobre 2022, à bord de la fusée-sonde TEXUS-57 lancée depuis le centre spatial d'Esrange, à 40 kilomètres à l'est de Kiruna, en Suède. Le projet de collaboration entre Airbus Defense & Space, l'Agence spatiale européenne (ESA) et le Centre aérospatial allemand (DLR) a transporté, entre autres, le modèle expérimental de l'équipe de Schwarzenberger jusqu'aux confins de l'espace. Le module comportait trois réacteurs de tailles différentes, constitués de plaques de verre empilées les unes sur les autres à des distances plus ou moins grandes. La fusée a atteint une hauteur de 240 kilomètres et s'est retrouvée en état d'apesanteur presque totale pendant près de six minutes. Pendant cette période, les chercheurs ont pu réaliser automatiquement leurs expériences, qui sont le fruit de plusieurs années de planification méticuleuse. La réaction s'est déclenchée lorsque l'apesanteur s'est installée. Trois caméras à haute résolution ont filmé les fronts de réaction qui se sont propagés entre deux liquides en mouvement. Ce sont ces images qui ont concentré tous les efforts de l'équipe : grâce à elles, les chercheurs peuvent désormais séparer un effet de mélange très spécifique des autres phénomènes d'écoulement.
Physique des écoulements en apesanteur
Les écoulements dans les canaux liquides présentent une distribution inégale de la vitesse en raison de la friction avec les parois, ce qui influence ensuite le transport des substances dissoutes et la diffusion des réactifs dans le liquide. Cet effet de diffusion est connu sous le nom de dispersion Taylor-Aris, du nom des deux chercheurs qui ont jeté les bases de sa compréhension dans les années 1950. Dans le passé, des études théoriques ont proposé des modèles plus ou moins complexes pour décrire l'interaction entre la dispersion de Taylor-Aris et les réactions chimiques.
En ce qui concerne les applications, il est toutefois important d'évaluer les conditions préalables dans lesquelles les différents modèles peuvent être utilisés. Pour ce faire, des expériences ont été menées afin d'isoler la dispersion de Taylor-Aris des autres phénomènes d'écoulement. Sur Terre, la dispersion de Taylor-Aris est essentiellement superposée aux effets de flottabilité dus à la gravité. Jusqu'à présent, les chercheurs ont essayé de minimiser les effets de flottabilité en utilisant des réacteurs peu profonds - mais cela n'a jamais fonctionné complètement parce qu'une certaine gamme de hauteurs de réacteurs et de vitesses d'écoulement devait encore être couverte afin de prendre en compte de nombreux domaines d'application. Or, plus le système d'écoulement est important, plus la gravité est forte. Les chercheurs ont maintenant réussi à surmonter ces limites en apesanteur.
Une comparaison avec les expériences de référence au sol a révélé qu'une quantité nettement moindre de produit de réaction était générée à des hauteurs de réacteur plus importantes en apesanteur. Plus important encore, les données d'image des fronts de réaction n'ont pas été déformées par les effets de flottabilité. Les partenaires bruxellois ont ainsi pu reproduire le développement du front dans divers modèles théoriques. L'évaluation conjointe a montré que dans les réacteurs très peu profonds à écoulement lent, des modèles unidimensionnels simples peuvent être utilisés. Cependant, dans le cas de réacteurs plus grands ou d'un écoulement plus rapide, des modèles bidimensionnels utilisant la dispersion de Taylor-Aris sont nécessaires.
Dans ces domaines de validité, les corrélations correspondantes peuvent maintenant être utilisées pour prédire la formation du produit. Cela peut être utilisé pour concevoir des réacteurs innovants, pour la synthèse ciblée de particules et le transport de fluides dans les couches géologiques, mais aussi pour approvisionner les stations spatiales, où les conditions gravitationnelles diffèrent de celles de la Terre.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Yorgos Stergiou, Darío M. Escala, Paszkál Papp, Dezső Horváth, Marcus J. B. Hauser, Fabian Brau, Anne De Wit, Ágota Tóth, Kerstin Eckert, Karin Schwarzenberger; "Unraveling dispersion and buoyancy dynamics around radial A + B → C reaction fronts: microgravity experiments and numerical simulations"; npj Microgravity, Volume 10, 2024-5-9
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