30 Septembre 2010

Sciences de la matière

Née avec les premiers vols habités, l'étude à des fins scientifiques ou technologiques des phénomènes physiques en micropesanteur est devenue un élément de la recherche spatiale conduite par une communauté scientifique nationale bien structurée.

La période passée a vu celle-ci utiliser avec pertinence l'environnement de micropesanteur pour obtenir des résultats de grande qualité scientifique, dont certains ont été distingués par les instances d'évaluation de la recherche. Deux grands prix de l'Académie des Sciences ont été décernés en 1996 et 2000 ainsi que le prix Edmond Brun (2003) et une médaille de bronze du CNRS (2002).

Les difficultés de mise en service à plein régime de la Station Spatiale Internationale ont conduit la communauté scientifique à utiliser également avec succès les fusées-sondes et les vols paraboliques. Considérant enfin que les recherches en microgravité dans le domaine de la physique des fluides se situent toutes en amont de questions très importantes pour les technologies spatiales, la programmation scientifique prend en compte un élargissement des thèmes de recherche à des questions intéressant les technologies de transport sur l'orbite basse et, pour l'exploration planétaire, automatique ou habitée.

La micropesanteur est l'ambiance dynamique, relativement à un repère en translation lié à leur centre de gravité, d'objets matériels se déplaçant dans un champ de gravité sous l'effet seul de leur vitesse initiale. Le poids d'un objet matériel ayant la position du centre de gravité et la masse totale du système, est compensé à tout instant par la force d'inertie d'entraînement. On reproduit sur Terre la micropesanteur en lâchant des objets depuis des tours dites à chute libre ou dans des puits de mine désaffectés aménagés, ou encore en les faisant voler dans des avions en vol parabolique.

La micropesanteur a donc une influence sur les phases fluides dans lesquelles elle supprime la pression hydrostatique, la sédimentation et la convection. Elle permet d'étudier dans des conditions de transport purement diffusives des phénomènes physiques qui, au sol, sont masqués, déformés, ou encore dénaturés, par la présence de mouvements perturbateurs dans les phases fluides. La micropesanteur est donc d'abord un grand équipement pour obtenir des connaissances qu'il serait impossible d'acquérir au sol, qu'il s'agisse de recherche scientifique ou d'informations contribuant à améliorer les procédés industriels. La micropesanteur est aussi une caractéristique incontournable de l'environnement spatial à laquelle les technologies de lanceurs et de satellites doivent s'adapter. C'est là le second aspect qui apparaît comme une contrainte technologique forte et dont les rapports avec la recherche en sciences de la matière sont très étroits.

 

 Thématiques de recherche:

  • La solidification et la croissance cristalline
  • La combustion
  • Les interfaces fluides et les mousses
  • Les objets lévités et les écoulements diphasiques
  • Les fluides critiques

 

Les applications de la micro pesanteur


Les programmes de recherche en micropesanteur sont dorénavant particulièrement dirigés vers la gestion des fluides dans l'espace : contrôle thermique des engins spatiaux et échanges thermiques à haut rendement, propulsion orbitale, stockage des fluides dans l'espace pour des durées appelées à être de plus en plus longues. Les sciences de la matière par l'espace peuvent être aussi les sciences de la matière pour l'espace.

En ce qui concerne les transferts de masse et de chaleur en gravité faible ou nulle, il s'agit tout d'abord des phénomènes de transition de phase aux interfaces liquide/gaz/solide, où le solide peut être plan ou divisé et le liquide cryogénique/supercritique. Ces enjeux sont relatifs aux questions suivantes : la crise d'ébullition, les phénomènes capillaires en présence de transition de phase et d'écoulement, la miniaturisation des systèmes (microfluidique diphasique, transition de phase), la réfrigération cryogénique par tubes pulsés et les effets de compressibilité (couplages thermo-acoustiques, transfert adiabatique de chaleur par effet piston) dans les fluides super critiques hypercompressibles.

En ce qui concerne la mécanique des écoulements, pour le domaine des lanceurs, il s'agit des mouvements de grande amplitude des interfaces dans des fluides cryogéniques (hydrogène, oxygène) ou des gaz nobles (hélium, xénon, argon), déclenchés par des instabilités pouvant relever du type Rayleigh-Taylor par exemple (phénomène de geyser) ou encore de phénomènes de convection dans les milieux hypercompressibles et de chutes de pression thermoconvectives.

Enfin, en ce qui concerne les données physicochimiques de base, il faut noter que celles des fluides utilisés dans l'espace sont souvent très mal connues et qu'un réel besoin existe pour en améliorer la connaissance. Il en est de même pour les équations d'état, notamment pour l'hydrogène et l'oxygène.

 

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