Les missions futures visant à explorer la Lune nécessiteront des machines fiables capables de fonctionner dans des conditions extrêmes. Une équipe de l’Université de Nagoya au Japon a mis au point un dispositif de commutation thermique qui pourrait prolonger la durée de vie opérationnelle des véhicules lunaires. Leur étude, réalisée en collaboration avec l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise, a été publiée dans la revue Applied Thermal Engineering.
Défis thermiques sur la Lune
Les astronautes conduisant un véhicule sur la surface lunaire doivent non seulement affronter les dangers liés à l’apesanteur et aux cratères, mais aussi les fluctuations extrêmes de température. L’environnement lunaire oscille entre des températures brûlantes de 127°C et des froids glacials de -173°C.
Pour les missions futures, il est crucial de disposer de machines capables de fonctionner dans ces conditions rigoureuses. C’est dans ce contexte qu’une équipe de chercheurs de l’Université de Nagoya a développé un dispositif de commutation thermique innovant.
Le dispositif de commutation thermique, conçu par l’équipe de Nagoya, permet de passer de la dissipation de chaleur en journée à l’isolation thermique la nuit. «La technologie de commutation thermique, capable de passer de la dissipation de chaleur en journée à l’isolation thermique la nuit, est essentielle pour l’exploration lunaire à long terme», a indiqué le chercheur principal Masahito Nishikawara.
En journée, le rover lunaire est actif et les équipements électroniques génèrent de la chaleur. En l’absence d’air dans l’espace, cette chaleur doit être dissipée activement. La nuit, les équipements doivent être isolés du froid extrême pour éviter qu’ils ne se refroidissent trop.
Avantages par rapport aux dispositifs actuels
Les dispositifs actuels utilisent souvent des chauffages ou des valves passives attachées à des boucles de chaleur pour l’isolation nocturne. Cependant, les chauffages sont coûteux et les valves passives peuvent augmenter la vitesse du flux de fluide, entraînant une baisse de pression qui affecte l’efficacité du transfert de chaleur.
La technologie développée par l’équipe de Nishikawara offre une solution intermédiaire. Avec une baisse de pression inférieure à celle des valves passives et une consommation d’énergie moindre que celle des chauffages, elle retient la chaleur la nuit sans compromettre les performances de refroidissement diurnes.
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Le dispositif combine une boucle de chaleur (LHP) avec une pompe électrohydrodynamique (EHD). En journée, la pompe EHD est inactive, permettant à la LHP de fonctionner normalement. Dans les rovers lunaires, la LHP utilise un réfrigérant qui passe de l’état liquide à l’état vapeur. Lorsque le dispositif chauffe, le réfrigérant liquide dans l’évaporateur se vaporise, libérant de la chaleur à travers le radiateur du rover. La vapeur se condense ensuite en liquide, qui retourne à l’évaporateur pour absorber à nouveau la chaleur.
La nuit, la pompe EHD applique une pression opposée au flux de la LHP, arrêtant le mouvement du réfrigérant. Les équipements électroniques sont ainsi complètement isolés du froid nocturne avec une consommation d’électricité minimale. Les résultats des tests ont montré que la consommation d’énergie nocturne était presque nulle.
Implications pour l’exploration spatiale
«Cette approche novatrice assure non seulement la survie du rover dans des températures extrêmes, mais minimise également la dépense énergétique, une considération cruciale dans l’environnement lunaire aux ressources limitées», a ajouté Masahito Nishikawara. «Elle jette les bases d’une intégration potentielle dans les futures missions lunaires, contribuant à la réalisation d’efforts d’exploration lunaire soutenus.»
Les implications de cette technologie s’étendent au-delà des rovers lunaires, touchant à la gestion thermique des engins spatiaux en général. L’intégration de la technologie EHD dans les systèmes de contrôle des fluides thermiques pourrait améliorer l’efficacité du transfert de chaleur et atténuer les défis opérationnels. À l’avenir, cela pourrait jouer un rôle important dans l’exploration spatiale.
Article : « Demonstration of heat switch function of loop heat pipe controlled by electrohydrodynamic conduction pump » – DOI : 10.1016/j.applthermaleng.2024.123428
Légende illustration : Un dispositif de commutation thermique accroît la longévité du rover lunaire dans le climat rigoureux de la Lune. Crédit : Shinichiro Kinoshita, Masahito Nishikawara
