Le transfert de chaleur en conditions extrêmes

TYFOCOR^® à 38 km au-dessus de l’Arctique

Lorsque le centre aérospatial allemand (DLR) et la NASA observent des nuages polaires mésosphériques à 83 km d’altitude, tout doit être au point : une préparation minutieuse, une météo parfaite et un équipement optimal. En juillet 2018, la mission en ballon-sonde « PMC-Turbo » de cinq jours destinée à l’étude de la mésopause, couche limite atmosphérique, a débuté. Elle fournit aux chercheurs des informations fondamentales sur la dynamique atmosphérique de cette région éloignée. Également à bord : TYFOCOR^® LS^® Arctic.

Esrange, le 8 juillet 2018, à 7h27 : le ballon-sonde stratosphérique s’élève lentement dans le ciel matinal suédois. Les meilleures conditions sont réunies pour observer les nuages noctulescents dans les prochains jours. Ces phénomènes, également appelés nuages polaires mésosphériques, se produisent en été à de très hautes altitudes dès qu’une quantité suffisante de vapeur d’eau est présente et que la température tombe au-dessous du point de gelée. Ce dernier se situe au niveau de la mésopause estivale, le point le plus froid de l’atmosphère terrestre, à environ 85 km d’altitude et environ -120 ° C.

Le ballon-sonde volera pendant cinq jours, généralement à une altitude de 38 km, au-dessus de la Mer de Norvège, du Groenland et du détroit de Davis jusqu’à ce qu’il atterrisse sur l’île canadienne de Baffin. À une altitude aussi élevée, le ciel paraît noir, offrant les conditions d’observation optimales aux instruments optiques. Seule une fusée pourrait se rapprocher plus encore des nuages, mais seulement pendant quelques secondes.

Le ballon-sonde stratosphérique s’élève à 38 km d’altitude

Comme l’hélium est plus léger que l’air, le ballon-sonde s’élève. Comme la pression atmosphérique diminue avec l’altitude, l’hélium dans le ballon-sonde se dilate pendant la montée. Ainsi, le ballon-sonde prend encore du volume alors que la densité de l’air diminue et la poussée verticale diminue. Un équilibre des forces se crée alors entre la poussée verticale et le poids du ballon-sonde additionné de la charge utile, le ballon-sonde cesse donc son ascension une fois qu’il a atteint 38 km d’altitude. À cette altitude, l’hélium remplit complètement l’enveloppe du ballon-sonde qui atteint désormais un diamètre majestueux d’environ 100 mètres. Le ballon-sonde dérive suivant le vent vers l’ouest. Le deuxième jour, c’est parti au-dessus du Groenland : des nuages mésosphériques polaires miroitent d’un blanc argenté (en anglais : Polar Mesospheric Clouds –PMC–) à la frontière de l’espace, un spectacle fascinant observé pour la première fois en 1885 depuis le sol. Les nuages noctulescents sont formés de particules de glace qui se condensent autour de minuscules particules de poussière de météores dans la haute atmosphère. Du sol, on les voit en été du bord depuis les régions polaires jusqu’au nord de l’Allemagne peu après le coucher du soleil.

La NASA observe avec des caméras

« Les observations de nuages noctulescents présentent un grand intérêt scientifique, car ces nuages, dans certaines conditions, servent de traceurs pour les masses d’air. De plus, les mesures à haute résolution de la hauteur du nuage peuvent être utilisées pour visualiser, par exemple, les mouvements d’air à petite échelle. » dit Dr Bernd Kaifler de l’Institut de physique de l’atmosphère du Centre aérospatial allemand (DLR). Il ajoute « On peut en tirer des conclusions sur la dynamique de l’atmosphère à ces altitudes inaccessibles par les moyens conventionnels. » La charge utile du PMC-Turbo comprend sept caméras haute résolution de la NASA avec des champs de vision larges et étroits, afin de capturer la structure spatiale des nuages noctulescents. Ces enregistrent environ six millions d’images haute résolution pour un volume de données de 120 téraoctets, la plupart des images montrant des PMC à différents stades. Ces images révèlent, entre autres, les processus conduisant à des turbulences.

Le DLR envoie des impulsions laser avec un Lidar

Le DLR a profité de cette mission pour une première. Pour la première fois, un Lidar a volé sur un ballon-sonde stratosphérique. Un Lidar (Light Detection and Ranging) est un instrument de mesure permettant d’analyser la surface et l’atmosphère de la Terre. Le Lidar émet des impulsions laser en direction des nuages noctulescents.

es photons rétrodiffusés sont analysés et permettent une mesure précise de la structure verticale des nuages. Comme, par exemple, les données Lidar ont permis de visualiser des couches de glace légèrement brillantes de plus de cinq kilomètres d’épaisseur, ou des couches légères très minces de cent mètres d’épaisseur seulement, organisées parfois en plusieurs couches superposées. Le mouvement lent du ballon-sonde permet d’obtenir une image précise de la structure tridimensionnelle de ces couches. « Nous connaissons la structure 2D des nuages à partir des images de la caméra, mais pour bien modéliser la structure en forme de vagues des nuages, nous avons également besoin d’informations sur la hauteur », explique Dr Kaifler, qui a mis au point l’expérience Lidar en ballon-sonde. « En utilisant les mesures du Lidar, nous pouvons visualiser la structure verticale des nuages en forme de vagues et collecter ainsi des données précieuses qui ne pourraient pas être obtenues à partir de simples images 2D. » Jusqu’à présent, des instruments similaires n’ont été utilisés qu’au sol. Cependant, à une altitude de 38 km, la distance du Lidar en ballon-sonde aux nuages est presque divisée par deux, de sorte que la qualité du signal et la résolution sont bien meilleures. « Le Lidar en ballon-sonde est donc presque une expérience satellite, mais avec un budget beaucoup plus petit. », ainsi Dr Kaifler.

TYFOCOR^® LS^® Arctic transporte la chaleur perdue du récipient sous pression du Lidar

Développer un instrument Lidar petit et léger pour une utilisation dans à bord d’un ballon-sonde n’était pas facile. En raison de la faible densité de l’air à haute altitude, les lasers, les détecteurs et les composants électroniques ont dû être installés dans un conteneur pressurisé à la pression équivalent à celle du sol. De plus, le refroidissement du laser et des composants électroniques a nécessité la mise au point d’un grand radiateur pour dissiper la chaleur, car il n’y avait pas assez d’air pour assurer le refroidissement comme il se fait au sol. Par conséquent, le système de refroidissement était composé du réservoir, de la pompe, de la plaque de refroidissement et du radiateur rempli de 6 kg de liquide de refroidissement. Dr Kaifler et ses collègues ont utilisé pour cette tâche délicate le liquide de refroidissement TYFOCOR LS Arctic de la société hambourgeoise TYFOROP Chemie GmbH.

TYFOCOR LS Arctic avait pour mission de dissiper la chaleur produite en-dehors du conteneur pressurisé et de la diffuser dans l’espace via un radiateur externe. « L’agence spatiale américaine NASA exigeait que le liquide de refroidissement utilisé ne puisse représenter aucun danger pour l’environnement et les personnes en cas de fuite », ainsi explique Dr Kaifler. C’est l’une des raisons du choix de TYFOCOR LS Arctic. En effet, ce liquide de refroidissement a été mis au point à partir d’une solution aqueuse de propylène glycol non nocif ce qui le rend facilement biodégradable.

Protection contre le froid et la corrosion jusqu’à -47 °C

« TYFOCOR LS Arctic est un fluide caloporteur spécial prêt à l’emploi qui offre une protection contre le froid jusqu’à -47 °C », précise Dr Marco Bergemann, responsable du marketing et des ventes chez TYFO. « Nous avons spécialement développé ce fluide pour une utilisation dans les installations solaires à forte contrainte thermique opérant dans des régions extrêmement froides. »

Les composants utilisés dans le système de refroidissement du Lidar en contact direct avec le liquide de refroidissement (comme p.ex. la plaque de refroidissement et les tubes) sont en acier inoxydable, ainsi que dans d’autres alliages métalliques. « TYFOCOR LS Arctic protège sur la durée et avec fiabilité les différents matériaux métalliques -même dans une installation mixte – contre la corrosion, le vieillissement et les incrustations, grâce aux inhibiteurs de corrosion qu’il contient. Il maintient les surfaces caloporteuses propres et assure un niveau d’efficacité constant et toujours élevé », explique Dr Bergemann.

Une meilleure compréhension de la turbulence dans l’atmosphère

« Les résultats de cette mission nous aideront à mieux comprendre la turbulence dans l’atmosphère, ainsi que dans les océans, les lacs et autres atmosphères planétaires, et peut-être même à améliorer les prévisions météorologiques », espère Dr Bernd Kaifler. « La compréhension des causes et des effets de la turbulence nous aide, nous les scientifiques, d’une part à comprendre la structure et la variabilité de la haute atmosphère. La turbulence se produit dans tous les fluides de l’univers et ces résultats amélioreront d’autre part la modélisation de tous ces systèmes. Bien entendu, cela s’applique également aux prévisions météorologiques terrestres. »

Au bout de cinq jours, à la fin de la mission, la charge utile a été séparée du ballon-sonde à l’aide d’un couteau pyrotechnique qui coupe les câbles porteurs en acier. Pendant le processus de séparation, une corde a déchiré la coque du ballon-sonde sur le côté, si bien que de l’hélium a pu s’échapper. La coque du ballon-sonde est retombée à terre sans contrôle, tandis que la charge utile, équipée d’un parachute, s’est posée relativement en douceur – avec une vitesse verticale d’environ 7 m/s – dans l’Arctique canadien. Certains des instruments seront réutilisés lors de futures missions – TYFOCOR LS Arctic sera alors sûrement embraqué pour traiter les transferts de chaleur.