Une flamme chaude, sur Terre. © Uwe Hennig, Adobe Stock
Sciences

Des astronautes ont joué avec le feu dans l'espace

ActualitéClassé sous :Physique , expérience en microgravité , station spatiale internationale

Si on l'utilise à foison, le feu reste encore aujourd'hui mystérieux, notamment par son comportement en apesanteur. Afin de mieux le comprendre, des chercheurs ont étudié la dynamique de différentes flammes en l'absence de gravité, à travers diverses expériences menées dans la Station spatiale depuis 2017.

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On le manipule tous les jours, ou presque : le feu est utilisé par l'Homme depuis plus de 400.000 ans. Mais, dans l'espace, tout est différent, et son comportement aussi. C'est ce qu'ont voulu étudier des chercheurs de la Nasa qui ont créé le projet Advanced Combustion via Microgravity Experiments, ou Acme, étalé sur quatre ans et demi. Ainsi, depuis 2017, des astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ISS) expérimentent autour de ce thème.

« Un environnement de microgravité permet aux chercheurs d'explorer le comportement des flammes sans l'influence de la gravité, afin qu'ils puissent étudier la physique sous-jacente derrière la structure et le comportement des flammes, a déclaré Dennis Stocker, scientifique du projet Acme à la Nasa. Ces connaissances peuvent aider les concepteurs et les ingénieurs ici sur Terre à développer des fours, des centrales électriques, des chaudières et d'autres systèmes de combustion plus efficaces, moins polluants et plus sûrs. »

En micropesanteur, les flammes sont sphériques !

Au programme, six expériences portant sur différentes thématiques, mais avec un point commun : elles génèrent des flammes de diffusion, ou non prémélangées, c'est-à-dire lorsque le combustible et le comburant, nécessaires en plus d'une source de chaleur pour que le feu se forme, sont séparés avant l'allumage. C'est le cas pour des bougies, par exemple, où le combustible est la cire, le comburant l'oxygène environnant, et l'énergie d'activation la flamme en provenance d'un briquet ou d'une allumette« Plus de 1.500 flammes ont été allumées, plus de trois fois le nombre initialement prévu, a déclaré Dennis Stocker. Plusieurs "premières" ont également été réalisées, peut-être plus particulièrement dans les domaines des flammes froides et sphériques. »

Comparaison entre une flamme brûlant sur Terre (à gauche) et une flamme en microgravité (à droite). © Nasa

Déjà créées en 2012 avec des combustibles liquides, cette fois, les flammes ont été réalisées seulement avec des combustibles gazeux. Mais le résultat principal est le même : la flamme prend une forme sphérique, bien différente de celle qu'on lui connait habituellement. En cause, l'absence de gravité : sur Terre, l'air chaud remonte par convection car il est moins dense, et l'air froid redescend par gravité et alimente la base de la flamme. Mais ces phénomènes n'entrent pas en jeu à bord de l'ISS. Les produits de la combustion ne redescendent plus par gravité, et demeurent alors tout autour de la flamme : l'oxygène est apporté par tous les côtés, à condition de mouvements d'air suffisants pour que le COle laisse passer. Dans ce cas-là, la flamme est entretenue.

Six expériences pour comprendre la dynamique du feu en microgravité

Au total, ces six expériences impossibles à réaliser dans un laboratoire terrestre ont considérablement amélioré les modèles informatiques qui simulent la croissance et l'extinction de flammes dans un environnement de microgravité. Un feu créé dans l'espace sera plus stable, et donc, plus difficile à éteindre. C'est dans ce but que la Nasa a réalisé ces tests : prévenir les incendies, et mieux comprendre la dynamique du feu en microgravité. En particulier dans les engins spatiaux, où tout est confiné et où un incendie non géré devient vite catastrophique.

Parmi ces tests, des flammes froides ont été réalisées, une expérience qui avait déjà été réalisée en 2012 à bord de l'ISS. Mais aussi, le Burning Rate Simulateur (BRE) a consisté à enflammer différents matériaux dans une atmosphère au repos, puis à observer l'allumage et à réaliser différents essais d'extinction. Plusieurs carburants ont été utilisés, dans différentes atmosphères, dans des « conditions similaires à celles envisagées pour l'exploration spatiale future ».

Durant l'expérience s-Flame, le carburant et l'atmosphère environnante ont été dilués avec de l'hélium qui a remplacé l'azote. Comme il est un meilleur conducteur thermique que l'azote, la taille de la flamme a sensiblement augmenté, mais aussi sa structure et sa dynamique. Des analyses sont en cours pour la modéliser, et ainsi prévoir des méthodes d'extinction efficaces. © Nasa

Le cas des flammes fuligineuses

D'autres expériences, comme Coflow Laminar Diffusion Flame (CLD Flame), ont permis d'étudier les flammes fuligineuses, c'est-à-dire qui génèrent de la suie, cette substance d'aspect noirâtre polluante qui résulte d'une combustion incomplète des matières carbonées. Ils ont ainsi constaté que « les flammes de suie en microgravité sont plus larges et plus hautes que leurs homologues à gravité normale, et la concentration de suie peut être plus grande de près d'un facteur dix ».

Mais ce n'est pas tout ! La Nasa explique que si le carburant est dilué avec un gaz inerte, comme de l'azote, alors la suie disparaît et la flamme « peut se décoller de la surface du brûleur et apparaître sous la forme d'un léger cône bleu ». Dans le cas d'une dilution extrême, la flamme prend même une forme de disque pour s'éteindre ensuite. Enfin, des chercheurs ont démontré qu'un champ électrique permet de réduire les émissions de flammes de diffusion : ceci grâce aux ions créés à la suite des réactions de combustion, qui y sont sensibles. Selon le champ appliqué, la forme de la flamme peut être modifiée, jusqu'à éliminer la création de suie.

Un composite d'images de flammes provenant de neuf tests différents de l'expérience Flame Design menée en juin et juillet 2019. Le carburant était de l'éthylène (C2H4), qui était parfois dilué avec de l'azote, et qui produit généralement des flammes de suie sur Terre. Ces tests de flamme normaux, dans lesquels le combustible s'écoule du brûleur dans une atmosphère oxydante, ont été effectués à une gamme de concentrations d'oxygène allant jusqu'à 40 % en volume. © Nasa

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