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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. |
 LES THEMES DE RECHERCHE |
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La solidification et la croissance cristalline La possibilité de solidifier des échantillons en lévitation sans contact avec le creuset autorise par exemple une mise en évidence plus fine de phases métastables éphémères dans les matériaux réfractaires. La suppression de la convection permet aussi de mesurer des coefficients thermophysiques dans des conditions purement diffusives, en particulier les coefficients de diffusion dans les métaux liquides dont la connaissance précise est très demandée par la simulation numérique des procédés industriels. La micropesanteur permet l'étude sans convection ni sédimentation des grains, de la transition entre la croissance colonnaire (d'origine dendritique) et la croissance équiaxe (les germes introduits dans le lingot d'origine croissent dans toutes les directions). La micropesanteur permet aussi d'étudier, dans des conditions purement diffusives, les structures qui se forment à l'interface entre un liquide et un solide. Pour ce qui concerne les alliages modèles transparents, les études préparatoires au sol aux expériences qui seront réalisées dans l'instrument français DECLIC (Dispositif pour l'étude de la croissance et des liquides critiques) ont permis de bien identifier les perturbations apportées par la convection qui, par l'intermédiaire des gradients de température et de concentration qu'elle produit le long de l'interface, conduit à des transitions structurales difficiles à caractériser et à observer au sol.
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L'intérêt de la micropesanteur dans le domaine de la combustion réside dans la possibilité de faire léviter des gouttelettes de combustible, de leur conserver la symétrie sphérique des études théoriques et de vérifier les théories de base. Il devient donc possible de mesurer le taux de régression du diamètre des gouttes en fonction du temps, qui est un des paramètres clés des modélisations de la combustion. De plus, lorsque la tension superficielle devient très faible comme lorsqu'on approche des conditions critiques, il n'est plus possible au sol de positionner les gouttelettes sur des supports. La micropesanteur est donc le seul moyen de réaliser des expériences de combustion de gouttes à haute pression. De très nombreuses expériences de ce type ont été réalisées au cours de vols paraboliques d'avion ou dans des tours à chute libre. Ces travaux ont tous un grand intérêt appliqué car ils apportent des informations nécessaires à la compréhension de l'allumage et de l'apparition des instabilités des moteurs de fusées. Un autre intérêt de la micropesanteur pour la combustion est l'absence de mouvements convectifs et donc de phénomène d'appel d'air. Il devient ainsi possible de souffler sur une surface en combustion avec une vitesse bien inférieure à la vitesse imposée au sol par l'appel d'air (la convection) et d'étudier la physique de base. La détermination des conditions d'extinction et d'inflammabilité peut ainsi également contribuer à la sécurité incendie à bord des véhicules orbitaux.
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Les interfaces fluides et les mousses Par opposition avec la solidification ou la croissance cristalline, qui sont l'étude de l'interface entre un solide et un liquide, les interfaces fluides sont des interfaces entre deux fluides, qu'il s'agisse d'interfaces étendues ou refermées sur elles-mêmes, comme dans le cas des mousses. La micropesanteur permet dans ce domaine d'observer les évolutions des phases fluides et des forces de tension superficielle sous l'effet du seul transport diffusif. Les mousses à forte fraction volumique de liquide, dites mousses humides, ont une durée de vie supérieure en micropesanteur car le drainage gravifique des interfaces n'existe plus et seuls le disproportionnement capillaire et les écoulements sont encore présents. La micropesanteur permet par exemple d'observer la formation des bords de plateau lors du drainage des interfaces d'une mousse lourde pendant la phase de ressource (1,8 g) de l'avion A300 Zéro G des vols paraboliques. Ces vols ont également été utilisés pour mettre au point le dispositif de production contrôlée de mousse en micropesanteur.
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Les objets lévités et les écoulements diphasiques On entend par objets lévités les objets qui, en l'absence de sédimentation, restent en suspension dans la phase continue (au repos ou en mouvement) qui les contient, comme les émulsions. Il peut s'agir aussi de matière granulaire, de particules en écoulement ou encore d'écoulements diphasiques en tube. Pour ce qui concerne les écoulements diphasiques, l'absence de vitesse de glissement entre le gaz et le liquide entraîne la quasi disparition de la turbulence induite par les bulles, tandis que les forces de traînée et de portance deviennent très faibles, simplifiant les mécanismes d'interaction entre les bulles et la phase continue, contrairement au sol où la gravité et la turbulence jouent de manière couplée. Dans le domaine de la matière granulaire, les résultats d'expériences en vols paraboliques ont permis d'obtenir l'équation d'état d'un gaz granulaire et de montrer l'apparition d'amas compacts dans un gaz de grains vibrés suffisamment dense dont les mécanismes sous-jacents pourraient jouer un rôle fondamental dans la formation des anneaux planétaires.
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Près du point critique, la densité du fluide devient celle d'un liquide, tout en conservant les propriétés de transport des gaz, ce qui procure aux fluides super critiques des propriétés spécifiques concernant les phénomènes de solvatation sélective, de solubilité ou de réactivité. Le voisinage du point critique des fluides purs est le siège d'anomalies importantes des paramètres thermodynamiques (hyper compressibilité) et des propriétés de transport. Ces anomalies entraînent au sol une sédimentation très importante et des mouvements convectifs très intenses qui rendent toute observation difficile. Leur suppression en micropesanteur autorise une observation dans des conditions exceptionnelles. Des mécanismes nouveaux, comme l'effet piston (transfert thermo-acoustique de chaleur, plus rapide que tous les autres types de transferts connus) deviennent prépondérants. On retrouve leur signature dans des situations qui, sans leur découverte en micropesanteur, seraient restées sans explications ou paradoxales. Les phénomènes de point critiques trouvent leurs applications dans l'énergétique, dans la recherche de rendements thermiques plus élevés. L'industrie spatiale est, elle aussi, confrontée à la fois à la proximité du point critique (moteurs cryogéniques) et à la micropesanteur.
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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 (micro-fluidique 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 hyper compressibles. 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 hyper compressibles et de chutes de pression thermo-convectives. 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. |
