Des expériences en apesanteur isolent le phénomène de diffusion classique

Depuis des années, divers modèles ont été développés pour décrire une classe 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 impliquant le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et des partenaires de l'Université de Szeged (Hongrie) et de l'Université libre de Bruxelles (ULB, Belgique) a désormais comblé cette lacune avec des expériences menées en apesanteur. Les résultats sont publiés dans npj Microgravité.

Les fronts de réaction-diffusion se produisent lorsque deux produits chimiques réagissent l'un avec l'autre et se propagent en même temps. Les scientifiques peuvent utiliser cet effet pour modéliser et mieux comprendre des problèmes en chimie et en physique ainsi que dans des domaines complètement différents comme le monde financier ou la linguistique, car les équations mathématiques sous-jacentes ont les mêmes caractéristiques.

Cela devient plus compliqué lorsque les chercheurs combinent ces réactions avec des flux. De tels procédés 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 multitude d’applications, les parties essentielles de ces systèmes ne sont pas encore entièrement comprises.

“Jusqu'à présent, les expériences visant à vérifier les modèles de tels processus ont été faussées par les effets de flottabilité provoqués par les différences de densité entre les solutions réactionnelles. 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 de simples modèles unidimensionnels”, explique le Dr Karin Schwarzenberger de l'Institut de dynamique des fluides du HZDR, décrivant le travail de son équipe.

Décollage d'une fusée au cercle polaire arctique

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 collaboratif impliquant Airbus Defence & Space, l'Agence spatiale européenne ESA et le Centre aérospatial allemand (DLR) a transporté, entre autres, le modèle expérimental de l'équipe Schwarzenberger aux portes 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 différentes. La fusée a atteint une hauteur de 240 kilomètres, atteignant un état d’apesanteur presque totale pendant près de six minutes.

Durant cette période, les chercheurs ont pu mener leurs expériences automatiquement, expériences résultant de plusieurs années de planification méticuleuse. La réaction s’est déclenchée lorsque l’apesanteur s’est installée.

Trois caméras haute résolution ont filmé les fronts de réaction qui se propagent entre deux liquides en écoulement. Ce sont ces images qui ont été au centre de tous les efforts de l'équipe : avec leur aide, les chercheurs peuvent désormais distinguer un effet de mélange très spécifique des autres phénomènes d'écoulement.

Physique des flux en apesanteur

Les écoulements dans les canaux liquides présentent une répartition inégale des vitesses en raison du frottement avec les parois, ce qui influence ensuite le transport des substances dissoutes et des réactifs diffusants dans le liquide. Cet effet de diffusion est connu sous le nom de dispersion de 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 proposaient des modèles de complexité variable pour décrire l'interaction de la dispersion de Taylor-Aris et des effets chimiques. réactions.

Toutefois, en ce qui concerne les applications, il est important d’évaluer les conditions préalables dans lesquelles les différents modèles peuvent être utilisés. Cela impliquait de mener des expériences pour isoler la dispersion de Taylor-Aris des autres phénomènes d'écoulement. Sur Terre, la dispersion de Taylor-Aris se superpose essentiellement aux effets de flottabilité provoqués par 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 car il fallait encore couvrir une certaine plage de hauteurs de réacteurs et de vitesses d'écoulement pour pouvoir s'adapter à de nombreux domaines d'application. Mais plus le système d’écoulement est grand, plus la gravité est forte. Les chercheurs ont désormais réussi à surmonter ces limitations en apesanteur.

Une comparaison avec les expériences de référence au sol a révélé que, en apesanteur, à des hauteurs de réacteur plus élevées, beaucoup moins de produits de réaction étaient générés. Les données d'image des fronts de réaction, qui n'étaient pas déformées par les effets de flottabilité, étaient encore plus importantes.

Les partenaires bruxellois ont ainsi pu reproduire le développement du front dans différents modèles théoriques. Une 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 à débit plus rapide, des modèles bidimensionnels utilisant la dispersion de Taylor-Aris sont nécessaires.

Dans ces plages de validité, les corrélations correspondantes peuvent désormais être utilisées pour prédire la formation de produits. Cela permet de concevoir des réacteurs innovants, pour la synthèse ciblée de particules et de transport de fluides dans les couches géologiques, mais aussi d'alimenter les stations spatiales, où les conditions gravitationnelles diffèrent de celles de la Terre.