15 Août 2011

1990 : découverte de l'effet piston en micropesanteur

Les fluides placés au voisinage du point critique de leur diagramme de phase deviennent très compressibles et leur diffusivité thermique tend vers zéro. Lorsqu’on chauffe la paroi d’un récipient fermé contenant un fluide supercritique, le fluide contenu dans la très fine couche de diffusion se dilate fortement et génère, à la manière d’un piston, des ondes de compression qui chauffent très rapidement et uniformément le fluide dans tout le volume, même en l’absence de convection. Il s’agit donc d’un quatrième mode de transfert de chaleur, spécifique des milieux hyperdilatables appelé effet piston d’après le nom que lui a donné l’équipe française découvreuse de ce phénomène.
Effet piston

50 ans de résultats scientifiques

1990 : découverte de l'effet piston en micropesanteur.

Les coordonnées (densité, température, pression) du point critique du diagramme de phase d’un corps pur sont des caractéristiques physiques de ce corps, comme la température de vaporisation sous pression atmosphérique par exemple. Pour une densité égale à la densité du point critique et des températures et pressions supérieures à leurs valeurs critiques, les phases liquide et gazeuse ne sont plus discernables. Le fluide est dit supercritique ; il a une densité voisine de celle du liquide mais il est des milliers de fois plus compressible que le gaz. Au voisinage de ce point, les propriétés thermophysiques divergent (compressibilité isotherme, conductivité thermique, chaleur spécifique à pression constante) ou sont évanescentes (diffusivité thermique).

Au sol, la pression hydrostatique stratifie ce milieu et les conditions critiques ne peuvent plus être obtenues uniformément dans un échantillon. Cela fait des fluides supercritiques de très bons candidats pour l’utilisation de la micropesanteur qui supprime la pression hydrostatique et permet donc l’observation d’échantillons uniformes.

La physique microscopique et statistique des fluides supercritiques s’est beaucoup développée depuis les années 70 (prix Nobel de Kenneth G. Wilson pour la théorie du Groupe de renormalisation). Ce n’est que depuis les années 90 que la physique macroscopique et l’hydrodynamique de ces objets s’est développée, motivée par l’accès à la micropesanteur et les premières expériences sur le transfert de chaleur. En effet comme la diffusivité thermique des fluides placés au voisinage de leur point critique tend vers zéro, la possibilité d’expérimenter en l’absence de gravité a donné du sens à la question de savoir comment, en l’absence de transfert de chaleur par rayonnement, par diffusion et par convection (micropesanteur) la chaleur pourrait se propager de plus en plus lentement au fur et à mesure de l’approche du point critique.

Des simulations numériques réalisées au CNES ont rapidement montré que la chaleur pourrait se propager de plus en plus rapidement conduisant à un « critical speeding up » au lieu du « critical slowing down » admis par la physique des phénomènes critiques. Le mécanisme responsable a été identifié par les simulations numériques : il s’agit d’un chauffage thermoacoustique du milieu. Pendant le chauffage de la paroi, une très fine couche de fluide est chauffée (diffusivité thermique évanescente). Le fluide qu’elle contient se dilate très fortement (dilatabilité tendant vers l’infini) et génère, à la manière d’un piston, des ondes acoustiques de compression très intenses qui chauffent le milieu sur une échelle de temps d’autant plus courte que la dilatabilité est grande, c'est-à-dire que l’on est près du point critique (typiquement, quelque secondes pour 10 mm à 1 K du point critique), contrairement à la compréhension de l’époque qui était au contraire un ralentissement critique (quelques jours calculé sur la base de la diffusion de la chaleur).

Publié dans Physical Review Rapid Communication en Février 1990 [1], cette prédiction théorique fut vérifiée par une expérience en fusée sonde lors du vol Texus 25 en 1991 [2], confirmant l’existence d’un quatrième mode de transfert de chaleur dit par Effet Piston, qui est le nom retenu par la communauté internationale des phénomènes critiques.

A la suite de cette découverte, de nombreuses équipes de recherches se sont engagées de par le monde sur l’étude de ce phénomène et de ses conséquences quant à son hydrodynamique. Au plan français, deux instruments ont été dédiés à l’hydrodynamique des fluides supercritiques ALICE I et II (ALICE pour Analyse des Liquides Critiques dans l’Espace) opérés à bord de la station russe MIR.

Aujourd’hui la poursuite et l’élargissement du champ de recherche à la combustion dans l’eau supercritique se poursuit à bord de l’ISS avec l’instrument DECLIC (Dispositif d’Etude de la Cristallisation et des LIquides Critiques). Des brevets industriels ont été déposés, notamment un compresseur thermique pour xénon par la société Air Liquide et un Grand Prix de l’Académie des Sciences de Paris à été décerné en 2000 à l’équipe découvreuse. Aujourd’hui une réflexion existe sur l’application de la connaissance de ce phénomène au développement de caloducs pouvant transporter de faibles énergies sur de grandes distances sans dissipation.

L'effet piston : un quatrième mode de transfert de chaleur

La dernière séquence de cette vidéo montre une cellule remplie de gaz carbonique supercritique, au sol (à G sur la vidéo) et dans l'espace (à D sur la vidéo).

L'effet de compression induit par la dilatation du fluide contenu dans la zone chauffée (en noir) se mesure au nombre de franges qui défilent sous l'effet de l'augmentation de la densité.

Le fait que ces franges restent parallèles montre que la densité est homogène et donc que le chauffage du milieu par l'effet piston est non seulement extrêmement rapide mais aussi homogène, conformément aux prédictions théoriques (la pression est homogénéisée, à cette échelle de temps de quelques secondes par les ondes acoustiques).

Cette expérience dans l'espace, qui s'affranchit de la convection, confirme l'existence d'un quatrième mode de transfert de chaleur dans les milieux extrêmement dilatables.

Durée : 2'27

Références citées dans l'article :

[1] B. Zappoli, D. Bailly, Y. Garrabos, B. Le Neindre, P. Guenoun and D. Beysens « Anomalous heat transport by the piston effect in supercritical fluids under zero gravity », Phys. Rev. E Rap. Com., 41, 4, 2264-2267

[2] P. Guenoun, B. khalil, D. Beysens, Y. Garrabos, F. Khamoun and B. Zappoli « Thermal cycle around the critical point of carbon dioxide under reduced gravity »,Phys. Rev. E, 47,3 1531-1540

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