Grâce à l'ESA, une équipe belge étudie la vaporisation des gouttes en hypergravité
Une équipe de l'ULg a étudié comment les gouttes se vaporisent et a publié ses résultats dans une revue scientifique professionnelle. Cette expérience a été menée à l'aide d'une impressionnante centrifugeuse localisée à l'ESTEC, le cœur technique de l'ESA, à Noordwijk aux Pays-Bas, et s'inscrivait dans le programme Spin your Thesis! de l'unité éducation de l'ESA.
Ce que l'équipe de l'Université de Liège (ULg) a étudié grâce au Large Diameter Centrifuge (LDC) à l'ESTEC est connu sous le nom d'effet Leidenfrost. Ce phénomène peut survenir lorsque des gouttes d'un liquide entrent en contact avec une surface chaude et se vaporisent.
Lorsqu'une certaine température est atteinte, une couche de vapeur isolante se forme autour des gouttes, qui empêche le contact avec la surface chaude et ralentit la vitesse avec laquelle le liquide se vaporise.
Cela peut déboucher sur des applications intéressantes, où par exemple des objets, soutenu par les gouttes, peuvent se déplacer sans frottement sur des surfaces très chaudes.
Avec son expérience, l'équipe belge voulait tester les conséquences de la pesanteur sur le temps de vaporisation, ainsi que le comportement des gouttes pendant la vaporisation elle-même.
A l'origine, le projet de l'expérience se composait d'une surface chauffée qui pouvait être mue grâce à des servomoteurs. Une caméra infrarouge au-dessus de la surface gardait en permanence un œil sur la goutte. Dès que la goutte se déplaçait hors du centre de la plaque, les servomoteurs entraient en action. L'objectif était de maintenir la goutte en place alors même que celle-ci pouvait se déplacer très facilement.
Il est cependant vite apparu que le système ne pouvait pas réagir aussi vite que souhaité pour que cela puisse être évité. L'équipe a rapidement proposé une nouvelle solution. Elle a ainsi placé un anneau d'aluminium sur la plaque, anneau qui a ensuite été chauffé et qui a ainsi pu maintenir les gouttes en place.
La vaporisation a été filmée par une caméra vidéo traditionnelle, pour les besoins d'analyses ultérieures.
Les Belges ont réalisé l'expérience dans des circonstances qui représentaient 5, 10, 15 et 20 fois la gravité normale sur Terre. Les résultats de l'expérience ont montré que le temps de vaporisation diminue au fur et à mesure de l'augmentation du niveau de gravité.
"Ce n'est peut-être pas une vraie surprise, mais personne n'avait encore réalisé cette expérience", explique le Professeur Stéphane Dorbolo de l'équipe de l'ULg.
Un autre résultat de l'expérience a été que ce que l'on appelle le point Leidenfrost – à savoir la température au-dessus de laquelle l'effet trouve à s'appliquer – se situe toujours un peu plus au-dessus au fur et à mesure que le niveau de gravité augmente. Cela aussi était attendu. Quand la gravité augmente, l'épaisseur de la couche des grandes gouttes diminue et la probabilité d'un contact entre le liquide et le substrat devient plus grande.
Enfin, les scientifiques liégeois ont également observé le phénomène qui voit des "cheminées" se former au centre des plus grandes gouttes. Ces cheminées ressemblent un peu à des jaunes d'œuf entourés de blanc. L'équipe a découvert que la distance entre des "cheminées" proches les unes des autres diminue lorsque la gravité augmente.
Les résultats de l'expérience ont été publiés dans EPL, A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics. Les premiers auteurs sont les membres de l'équipe Laurent Maquet et Martin Brandenbourger, tous les deux doctorants à l'ULg.
Tant cette expérience, orientée vers la pratique, que le soutien scientifique de leur mentor de la European Low Gravity Research Association (ELGRA), ainsi que la collaboration avec les spécialistes de l'ESA furent pour eux une excellente opportunité pour le développement de leur carrière de chercheur.
"La collaboration avec les experts a été très appréciable et fut d'une grande aide pour les nouvelles formulations d'une expérience", ajoute Laurent Maquet. Le programme Spin Your Thesis! offre à des étudiants ordinaires, ainsi qu'aux étudiants en master et aux doctorants, l'occasion de réaliser des expériences à l'aide du Large Diameter Centrifuge (LDC) de l'ESA. Grâce à cette installation de niveau mondial, des forces de 1 à 20 g peuvent être atteintes. En ce moment, des équipes d'étudiants universitaires issues du Royaume-Uni, de la Roumanie, de l'Italie et de la Grèce travaillent à de nouvelles expériences pour la sixième campagne Spin Your Thesis! qui aura lieu du 7 au 18 septembre 2015.
Leidenfrost drops: Effect of gravity
by L. Maquet, M. Brandenbourger, B. Sobac, A.-L. Biance, P. Colinet and S. Dorbolo
est publié dans EPL, 110 (2015) 2400, doi: 10.1209/0295-5075/110/24001.
