Prométhée serait si fier. Dans le cadre d'une expérience menée par la NASA, des humains ont allumé un feu dans la Station spatiale internationale (ISS) pour voir ce qu'il advient des flammes dans une gravité extrêmement basse. L’expérience, baptisée Flame Extinguishment-2 (FLEX-2), a pour objectif d’améliorer nos connaissances sur la façon dont divers combustibles liquides brûlent et ce qu’ils produisent afin de pouvoir créer des moteurs à combustion plus propres et plus efficaces.
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Installé sur la station spatiale en 2009, FLEX-2 tire parti des conditions uniques existant dans l'espace pour simplifier les études de combustion. En microgravité, le carburant liquide peut former des gouttelettes presque parfaitement rondes. Lorsque ces sphères s'enflamment, la flamme brûle en une boule, offrant aux scientifiques une géométrie plus propre pour l'exécution de modèles et de calculs.
Atteindre ce niveau de simplicité, cependant, n'était pas une mince affaire, explique C. Thomas Avedisian de l'Université Cornell, co-chercheur de l'équipe FLEX-2. "Je dirais que c'est la configuration de combustion la plus difficile à créer pour le carburant liquide", dit-il. "Cette expérience a pris des décennies pour se perfectionner, remontant au milieu des années 80."
Lors du dernier test, présenté dans la vidéo ci-dessus, la chambre FLEX-2, qui a à peu près la taille d'une boîte à pain, est remplie d'un mélange sous pression d'oxygène et d'azote conçu pour simuler l'air à la surface de la Terre. Les aiguilles distribuent une gouttelette de 3 millimètres qui est moitié isooctane et moitié heptane. Cette infusion chimique sert de substitut plus simple à l’essence, explique Avedisian. Les deux liquides brûlent généralement de la même manière, mais l’essence peut contenir tellement de composés différents que son comportement est plus difficile à modéliser.
Deux boucles métalliques conduisent le courant pour chauffer la goutte jusqu'à ce qu'elle s'enflamme, provoquant l'apparition d'une boule de flamme bleue qui brûle à environ 2 000 Kelvin. Ne vous y trompez pas: la sphère en feu n'est pas transportée brusquement dans un ciel étoilé. Les lumières de la chambre s'éteignent pour rendre la flamme plus facile à voir, mais cela rend également plus visibles les taches sur les images, causées par de minuscules imperfections dans les capteurs vidéo. La boule de flamme commence alors à osciller à mesure que la combustion s'éteint, lui donnant l'air de pulser à travers la chambre comme une méduse en train de nager. Finalement, la balle dégage tellement de chaleur que la flamme brûlante s'éteint.
Avedisian et son équipe ont effectué plusieurs tests de ce type, mélangeant types de carburant et tailles de gouttes pour en vérifier les effets. Ils peuvent contrôler la configuration initiale en temps réel via un flux vidéo acheminé vers le laboratoire de Cornell, puis regarder le test automatisé suivre son cours. L'équipe du laboratoire mène également des expériences similaires sur le terrain en examinant des gouttelettes dont la taille est plus proche de celle de la variété de micro-échelle créée lors de l'injection de carburant dans un moteur de voiture. Pour simuler une faible gravité sur Terre, l'équipe Cornell laisse tomber ses gouttelettes: elle envoie les orbes ardents à travers une chambre à chute libre de 10 mètres et les filme en descendant.
Les gouttelettes formées lors des expériences spatiales ont permis à l'équipe de voir la physique de la combustion à plus grande échelle et de comparer les résultats aux tests effectués sur Terre. Une découverte quelque peu déroutante est que les légumineuses à la manière des méduses ne se produisent que lorsque la gouttelette est assez grosse - environ 3 millimètres ou plus - et qu'elles ne se produisent pas tout le temps. «Les oscillations de la flamme ne sont vraiment pas bien comprises», déclare Avedisian.
En fin de compte, étudier les boules de feu en lévitation pourrait révéler des moyens de rendre les carburants plus propres. «Ce que nous pensons, c'est qu'il existe une zone de combustion à« basse température »ou« flamme froide ». La gouttelette continue de brûler même si nous ne pouvons pas voir la flamme», déclare Avedisian. Dans cette zone, le feu ne brûle qu'entre 600 et 800 Kelvin.
«Les fabricants de moteurs ont étudié des moyens de réduire la pollution en utilisant la chimie à flamme froide, et cette chimie n’est pas aussi bien comprise que la chimie à flamme chaude», ajoute Forman A. Williams, chercheur principal de FLEX-2 à l’Université de Californie., San Diego. "En étudiant les flammes froides que nous avons trouvées dans les expériences de l'ISS, nous pourrons peut-être mieux comprendre cette chimie, ce qui pourrait alors être utile aux constructeurs de moteurs dans leurs conceptions."
