Comment la micropesanteur affecte-t-elle la distribution du nuage de vapeur autour d’un liquide qui s’évapore, et donc la vitesse à laquelle le liquide s’évapore ?

Des vols paraboliques ont été effectués afin d’étudier expérimentalement l’influence de la micropesanteur sur le nuage de vapeur tout autour d’un ménisque liquide qui s’évapore. L’interférométrie optique a été utilisée pour visualiser et quantifier la forme du nuage. La manip a été conçue et assemblée au service TIPs (Transferts, Interfaces at Procédés) de l’ULB.

Chef de l’équipe : Prof. Pierre Colinet

Coordinateur technique : Dr. Senthil Kumar Parimalanathan

Membre de l’équipe : Dr. Metin Hatipogullari

Membre de l’équipe : Dr. Alexey Rednikov

Membre de l’équipe : Dr. Hatim Machrafi

Assistance technique : Mr. Herve Baudine

Transferts, interfaces et processus (TIP) Laboratoire

École polytechnique de Bruxelles, ULB

Objectif :

Etudier l’effet de la micropesanteur sur la vapeur tout autour d’un ménisque qui s’évapore, au moyen de l’interférométrie optique.

Expérience :

En gravité normale, un ballon gonflé à l’hélium et celui gonflé à l’air se comportent différemment : le premier monte tandis que ce dernier descend, la différence étant due à la masse volumique de chacun. En effet, l’hélium est plus léger que l’air et donc le ballon monte, tandis que l’air sous pression à l’intérieur du ballon est plus lourd que l’air ambient et donc le ballon descend. Cependant, en micropesanteur, les deux ballons restent neutralement flottants vu que le poids ne fait plus de différence.

Imaginons maintenant une goutte d’alcool déposée sur une plaque de verre. Beaucoup d’alcools sont assez volatils de sorte que la goutte est assez vite entourée d’un dense nuage de vapeur. La masse volumique de la vapeur est différente de celle de l’air. Donc, la forme du nuage (qui affecte essentiellement le taux d’évaporation) dépendra de si on se trouve en gravité normale ou en micropesanteur. Bien que les alcools soient ainsi de bons candidats pour nos expériences, il n’est pas autorisé d’utiliser l’alcool ni aucun autre liquide inflammable dans les expériences spatiales pour des raisons de sécurité. Donc, ce sont plutôt l’eau ainsi qu’un liquide technique dit HFE (hydrofluoroéther) qui sont souvent préférés. Un autre problème est que l’eau est assez peu volatile à la température ambiante (à moins d’être réchauffée) de sorte qu’il est bien difficile de visualiser son nuage de vapeur qui n’est pas suffisamment dense. Heureusement, il existe toute une gamme de liquides HFE à volatilités différentes mais avec d’autres propriétés physico-chimiques assez similaires.

De plus, le HFE n’est pas inflammable ni toxique et est un bon isolant électrique (donc pas de problèmes graves en cas d’une fuite dans des circuits électriques). Donc, toutes nos expériences ont été réalisées avec le liquide HFE-7100 qui est suffisamment volatil à la température ambiante. Une bonne quantité de vapeur se forme autour de la goutte assez rapidement. D’ailleurs, les molécules HFE sont assez grandes de sorte que la différence entre la gravité normale et la micropesanteur est davantage accentuée. A noter finalement que dans un premier temps, on testera d’abord le cas plus simple d’un nuage de vapeur autour d’un ménisque créé au bout d’un tuyau.

La question suivante est comment accéder à des conditions de micropesanteur sans vraiment aller dans l’espace.

Il y en a trois moyens principaux (cliquer pour davantage de renseignements) :

Chaque moyen a ses avantages et ses inconvénients. On a opté pour les vols paraboliques afin de bénéficier d’un direct accès à la manip pendant la phase de micropesanteur. D’ailleurs, on dispose d’au moins 30 paraboles en total ; ce qui veut dire 30*19 secondes de micropesanteur (pourtant seulement 19 secondes pour chaque parabole). Ceci nous permet de tester plusieurs cas avec des paramètres différents.

Résultats :

Une installation assez sophistiquée a été conçue au service TIPs à cette fin. Elle est composée d’une boîte de Zarges comprenant la cellule expérimentale, du matériel optique, des circuits fluides, etc., ainsi qu’une console d’ordinateyr, comme montré dans la figure. Pour opération en micropesanteur, tous les procédés ont été automatisés ne demandant qu’un appui sur un bouton. La partie expérimentale comprend quant à elle une cellule étanche avec un long tuyau circulaire soudé au centre de la plateforme en bas de la cellule. Une pompe à perfusion injecte des quantités de liquide spécifiées dans le tuyau lors de la phase de micropesanteur. Comme déjà indiqué, on recourt à l’interférométrie de Mach-Zehnder afin d’étudier la distribution de la vapeur autour du ménisque liquide. On constate une claire différence dans les images interférométriques: Le nuage de vapeur a l’air plus ou moins sphérique en micropesanteur, ce à quoi on s’attend au vu des lois de diffusion de Fick classiques. Pourtant, il est assez aplati en gravité normale (la vapeur de HFE étant bien plus lourde que l’air).