Il dottorando al MIT Florian Chavagnat cerca di rispondere a domande fondamentali sul trasferimento di calore nell’ebollizione che daranno forma al successo delle centrali nucleari e alle missioni estese nello spazio.
Per lanciare missioni estese nello spazio, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) prende in prestito una pagina dall’industria dell’ingegneria nucleare: sta cercando di capire come funziona l’ebollizione.
L’amore per la fisica di Florian Chavagnat lo ha portato a studiare il trasferimento di calore in ebollizione e come l’ebollizione avverrebbe nelle condizioni che il carburante per missili criogenico incontrerà nello spazio. Credito immagine: Gretchen Ertl / MIT
La pianificazione di missioni a lungo termine ha la NASA alla ricerca di modi per imballare la minor quantità di combustibile criogenico possibile per un decollo efficiente. Una potenziale soluzione è quella di rifornire il razzo nello spazio utilizzando depositi di carburante collocati in orbite terrestri basse.
In questo modo, il veicolo spaziale può trasportare il carico di carburante più leggero, sufficiente per raggiungere l’orbita terrestre bassa per fare rifornimento se necessario e completare la missione. Ma il rifornimento nello spazio richiede una conoscenza approfondita dei carburanti criogenici.
“Noi [need to understand] come si comporta l’ebollizione dei criogeni in condizioni di microgravità [encountered in space]”, afferma Florian Chavagnat, un dottorando del sesto anno presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari (NSE). Dopotutto, capire come i criogeni bollono nello spazio è fondamentale per la strategia di gestione del carburante della NASA.
La stragrande maggioranza degli studi sull’ebollizione valuta fluidi che bollono ad alte temperature, il che non si applica necessariamente ai criogeni. Sotto la consulenza di Matteo Bucci ed Emilio Baglietto, Chavagnat sta lavorando alla ricerca sponsorizzata dalla NASA sui criogeni e sul modo in cui la mancanza di galleggiamento nello spazio influisce sull’ebollizione.
Un’infanzia passata ad armeggiare
Una profonda conoscenza dell’ingegneria e dei fenomeni fisici è esattamente ciò che Chavagnat ha sviluppato crescendo a Boussy-Saint-Antoine, un sobborgo di Parigi, con genitori che lavoravano per SNCF, la compagnia ferroviaria statale nazionale.
Chavagnat ricorda di aver discusso del funzionamento di treni e motori con suo padre ingegnere e di aver costruito una varietà di modelli in legno di balsa. Uno dei suoi progetti memorabili era una barca a vela spinta dal motore di uno spazzolino elettrico.
Quando era un adolescente, Chavagnat ricevette in regalo un tornio di metallo. Il suo armeggiare divenne un’ossessione; un motore ad aria compressa era un progetto preferito. Ben presto il piccolo capannone dei suoi genitori, destinato al giardinaggio, divenne una fabbrica, ricorda ridendo Chavagnat.
Un amore per tutta la vita per la matematica e la fisica ha spinto un percorso verso l’Istituto Nazionale di Scienze Applicate a Rouen, in Normandia, dove Chavagnat ha studiato energetica e propulsione come parte di un programma di ingegneria quinquennale.
Nel suo ultimo anno, Chavagnat ha studiato ingegneria atomica presso l’INSTN Paris-Saclay, parte della stimata Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA).
L’ultimo anno di studi al CEA richiedeva uno stage di sei mesi, che tradizionalmente prepara il corso per un lavoro. Chavagnat ha deciso di rischiare e fare domanda per uno stage al MIT NSE, sapendo che il suo corso futuro potrebbe essere incerto.
“Non ho corso molti rischi nella mia vita, ma questo è stato un grosso rischio”, dice Chavagnat. La scommessa ha dato i suoi frutti: Chavagnat ha vinto lo stage con Carlo Forsbergche ha aperto la strada alla sua ammissione come studente di dottorato.
“Ho scelto il MIT perché è sempre stata la scuola dei miei sogni”, afferma Chavagnat. Gli piaceva anche l’idea di sfidare se stesso per migliorare le sue abilità di lingua inglese.
Acqua bollente – foto illustrativa. Credito immagine: Jack B tramite Unsplash, licenza gratuita
Un amore per la fisica e il trasferimento di calore
Chavagnat ama la fisica – “se posso studiare qualsiasi problema in fisica, sarei felice”, dice – che lo ha portato a lavorare sul trasferimento di calore, più specificamente sul trasferimento di calore bollente. La sua prima ricerca di dottorato si è concentrata sull’ebollizione transitoria nei reattori nucleari, parte della quale è stato pubblicato nel Giornale internazionale di calore e trasferimento di massa.
La ricerca di Chavagnat prende di mira un tipo specifico di reattore nucleare chiamato reattore di prova dei materiali (MTR). Gli scienziati nucleari usano gli MTR per capire come i materiali utilizzati nelle operazioni degli impianti potrebbero comportarsi in caso di uso a lungo termine. Il combustibile nucleare densamente imballato, funzionante ad alta potenza, simula effetti a lungo termine utilizzando un flusso di neutroni molto intenso.
Per evitare guasti, gli operatori limitano la temperatura del reattore facendo scorrere acqua molto fredda ad alta velocità. Quando la potenza termica del reattore aumenta in modo incontrollabile, l’acqua convogliata inizia a bollire. L’ebollizione funziona per prevenire la fusione alterando la moderazione dei neutroni ed estraendo calore dal combustibile.
“[Unfortunately], che funziona solo fino a quando non si raggiunge un certo flusso di calore nel rivestimento del combustibile, dopodiché l’efficienza diminuisce completamente”, afferma Chavagnat. Una volta raggiunto il flusso di calore critico, il vapore acqueo inizia a ricoprire e isolare gli elementi del combustibile, provocando un rapido aumento delle temperature del rivestimento e un potenziale esaurimento.
La chiave è capire il comportamento del massimo flusso di calore all’ebollizione in condizioni MTR di routine: acqua fredda, alta velocità di flusso e spaziatura ridotta tra gli elementi del combustibile.
La Stazione Spaziale Internazionale è fotografata dalla SpaceX Crew Dragon Endeavour. Credito fotografico: NASA.
Studio dell’ebollizione criogenica
L’ebollizione continua a occupare il centro della scena mentre Chavagnat persegue la questione per la NASA. I criogeni bollono a temperature molto basse, quindi è importante rispondere alla domanda su come prevenire la perdita di carburante dalle operazioni spaziali di routine.
Chavagnat sta studiando come si comporterebbe l’ebollizione in condizioni di galleggiamento ridotto o assente, che sono le condizioni che il carburante criogenico per missili incontrerà nello spazio.
Per riprodurre condizioni simili allo spazio sulla Terra, la galleggiabilità può essere modificata senza andare nello spazio.
Chavagnat sta manipolando l’inclinazione della superficie di ebollizione – mettendola sottosopra ne è un esempio – in modo tale che la galleggiabilità non faccia quello che fa di solito: aiuta le bolle a staccarsi dalla superficie. Sta inoltre eseguendo esperimenti bollenti in voli parabolici per simulare la microgravità, simili a quanto sperimentato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
Chavagnat ha progettato e costruito apparecchiature in grado di eseguire entrambi i metodi con modifiche minime. “Abbiamo osservato l’ebollizione dell’azoto sulla nostra superficie immaginandolo utilizzando due videocamere ad alta velocità”, afferma.
L’esperimento è stato approvato per salire a bordo dei voli parabolici operati da Zero-G, una compagnia che opera voli senza peso. Il team ha completato con successo quattro voli parabolici nel 2022.
“Far volare un esperimento a bordo di un aereo e farlo funzionare in condizioni di microgravità è un’esperienza incredibile, ma è una sfida”, afferma Chavagnat.
“Conoscere i dettagli dell’esperimento è un must, ma altre abilità sono piuttosto utili, in particolare lavorare in gruppo, essere in grado di gestire alti livelli di stress ed essere in grado di lavorare pur essendo malati di movimento”. Un’altra sfida è che la maggior parte dei problemi non può essere risolta una volta a bordo, poiché i piloti di aerei eseguono la parabola (ciascuna della durata di 17 secondi) quasi una dopo l’altra.
Durante le sue ricerche al MIT, Chavagnat è rimasto affascinato dalla complessità di un fenomeno semplice come l’ebollizione. “Nella tua infanzia, hai una certa idea di come appaia l’ebollizione, bolle relativamente lente che puoi vedere ad occhio nudo”, dice, “ma non ti rendi conto della complessità finché non la vedi con i tuoi occhi”.
Nel suo raro tempo libero, Chavagnat gioca a calcio con la squadra della NSE, gli Atom Smashers. Il gruppo si riunisce solo cinque volte a semestre, quindi è un impegno di basso profilo, afferma Chavagnat, che trascorre la maggior parte del suo tempo in laboratorio.
“Sto facendo principalmente esperimenti al MIT; si scopre che le abilità che ho imparato nel mio capannone quando avevo 15 anni sono davvero molto utili qui”, ride.
Scritto da Poornima Apte
Fonte: Istituto di Tecnologia del Massachussetts
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
