De la rosée à l'aube au miroir brumeux après une averse, la condensation fait partie de notre quotidien sur Terre. Dans l’espace, la microgravité modifie la façon dont la chaleur circule à travers les gaz et les liquides, un ennemi potentiel de l’électronique des engins spatiaux devant refroidir dans des environnements extrêmes.
Pour la première fois, une expérience européenne étudie la forme que prennent les films liquides sur les surfaces refroidies à bord de la Station spatiale internationale. Un métal en forme d'ailette est à l'honneur pour permettre aux scientifiques de mieux observer les aspects fondamentaux de la condensation.
L'expérience Condensation on Fins est une première en matière de tests de transfert de chaleur en orbite pour étudier le rôle de la pression capillaire (la force qui tire les liquides à travers de minuscules espaces, comme l'eau grimpant sur une serviette en papier) lors de la condensation du film, le tout sans que la gravité ne gêne.
Bien qu'il s'agisse d'une recherche en physique fondamentale visant à affiner les modèles mathématiques, les résultats auront des applications pratiques, telles que le refroidissement de l'électronique dans les smartphones et les ordinateurs, et l'optimisation des processus de revêtement industriels sur notre planète.
Les missions spatiales pourraient également bénéficier d’échangeurs de chaleur plus efficaces pour maintenir l’électronique et les systèmes de survie à la bonne température.
Le facteur aileron
Les réfrigérateurs, climatiseurs et radiateurs utilisent de minuscules ailettes métalliques pour un transfert de chaleur plus efficace entre les fluides et les gaz. La forme des nageoires est également essentielle pour les expériences spatiales.
« Nous recherchons la meilleure forme d'aileron pour maximiser le transfert de chaleur », explique Brice Saint-Michel, scientifique du projet de l'ESA pour cette expérience.
L'ailette d'un centimètre de hauteur en alliage d'aluminium s'imprègne progressivement d'un réfrigérant à faible tension superficielle : ce fluide volatil peut s'évaporer ou se condenser avec peu de chaleur. Le liquide s'écoule et forme des flaques au pied de la nageoire, où un matériau semblable à une éponge et une pompe l'évacuent.
« Les conditions de microgravité nous permettent d'utiliser une grande aileron sans être perturbés par le drainage gravitationnel et la convection de la vapeur. Il est alors beaucoup plus facile de voir si les films liquides prennent une forme différente », explique Balazs Toth de l'équipe chargée des charges utiles en orbite terrestre basse de l'ESA.
Reste cool et continue
Sur Terre, le liquide s'accumule au pied de la nageoire, alors qu'en microgravité, le liquide s'accumule sur toute la surface de la nageoire.
« Le liquide semble être attiré par les surfaces froides comme un endroit sûr, contrairement à ce qui se passe avec le transfert de chaleur sur Terre », explique Andrey Glushchuk du Centre de recherche et d'ingénierie en technologies spatiales (CREST) de l'Université Libre de Bruxelles, Belgique.
« Tout système thermique conçu avec des étalons au sol ne fonctionnera pas en microgravité. Nous devons créer de nouvelles conceptions en gardant à l'esprit de nouveaux concepts », ajoute-t-il.
Les deux doigts pointus de chaque côté font partie de l’expérience comme objets de référence pour l’étalonnage. Ils sont fabriqués en alliage nickel-fer thermiquement stable. À chaque passage, le liquide condensé est continuellement aspiré par un matériau semblable à une éponge au pied de l'ailette, pompé et réévaporé en boucle fermée.
Un interféromètre de haute précision enregistre les changements de température et de concentration de vapeur autour de l'ailette et suit l'épaisseur du film liquide.
Des modèles théoriques qui volent haut
Des expériences similaires sur le transfert de chaleur ont bénéficié de brefs sursauts de microgravité lors de campagnes de vols paraboliques au cours des deux dernières décennies. Les connaissances acquises lors de ces vols ont aidé l’équipe scientifique à développer une technique permettant de mesurer avec précision la distribution du film liquide.
« Nous avions besoin des conditions de microgravité constantes de la Station spatiale internationale ; nulle part ailleurs nous n'aurions pu atteindre ce niveau de stabilité, de précision et de haute résolution dans nos mesures », explique Glushchuk.
La communauté scientifique travaille avec plusieurs modèles théoriques pour prédire l'évolution des taux de condensation en fonction de la répartition de l'épaisseur du film liquide. « Nous voulons une formule qui s'applique à tous, et c'est la première fois que nous disposons d'une richesse de données pour la consolider », ajoute Carlo Saverio Iorio, responsable du CREST à l'Université Libre de Bruxelles.
Nouvelle installation spatiale pour le transfert de chaleur
L’expérience Condensation sur ailettes fait partie d’une série plus large de tests sur le transfert de chaleur dans les gaz et les liquides.
Tout se passe à l’intérieur de la nouvelle installation Heat Transfer Host 2, installée le 30 septembre 2025 après sa livraison dans le cadre de la 23e mission de ravitaillement de fret Northrop Grumman vers la Station spatiale internationale. Ce module à hauteur de taille se trouve dans le tiroir européen Rack-2 et constitue la dernière mise à niveau du laboratoire européen Columbus sur la station spatiale.
L’installation fonctionne parfaitement et sa conception permet d’intégrer et de mener des expériences de manière autonome. Suite à cette première étude de condensation, la campagne se poursuivra avec une expérience Marangoni in films, axée sur les instabilités des films liquides en évaporation.
