Fluidics est une mini-centrifugeuse développée par le Cadmos et destinée à étudier deux phénomènes : le ballotement des fluides et les turbulences d’ondes à la surface d’un liquide. Elle a fonctionné dans l’ISS de 2017 à 2023. La relève est en cours avec un nouveau dispositif : Fluidics-L.

Concept

L’expérience Fluidics répond à deux objectifs : 

• Étudier le ballotement des fluides pour des applications dans le domaine de l’industrie aérospatiale. En effet, dans l’espace, les fluides bougent lors des manœuvres des satellites ou des lanceurs. Ces phénomènes impactent la précision de pointage des satellites. Il est donc nécessaire de les étudier.
• Étudier les turbulences d’ondes capillaires (recherche fondamentale)

La dynamique d’une onde qui se propage à la surface d’un liquide (à la manière des « cercles » provoqués par un caillou jeté dans l’eau) dépend de plusieurs composantes : une composante gravitaire, lié à la gravité, une composante inertielle et une composante capillaire. Or, cette dernière est souvent minime par rapport aux autres, et donc difficilement observable sur Terre. Un obstacle levé en micropesanteur, où la composante liée à la gravité n’existe plus.

Dispositif

Fluidics est une mini-centrifugeuse. L’expérience se présente sous la forme d’une boîte cylindrique de 56 cm de diamètre et d’environ 25 cm de hauteur. À l’intérieur se trouvent trois sphères (10 cm de diamètre) que l’on peut faire vibrer ou tourner autour d’un axe central, avec des fréquences ou des vitesses variables.

Les sphères sont remplies d’un liquide : de l’eau (pour les expériences liées à l’étude des turbulences d’onde), ou un liquide dont les propriétés se rapprochent de celles des ergols utilisés pour les satellites.

Deux caméras intégrées au dispositif filment les sphères en continu lors des sessions expérimentales. Des capteurs mesurent également de manière fine les effets de chaque mouvement sur les liquides.

Fluidics a été monté et installé dans le module Columbus de l’ISS en 2016 par Thomas Pesquet. L’intervention de l’astronaute se limitait ensuite au remplacement des sphères (lié à l’objectif scientifique de la session) et la mise en route de l’expérience via un logiciel dédié. L’appareil fonctionnait alors de façon autonome durant 90 minutes, sous la surveillance des opérateurs situés au centre de contrôle du Cadmos. Quinze sessions scientifiques ont ainsi eu lieu entre 2017 et 2023.

Résultats et applications

Fluidics a permis d’améliorer les modèles numériques simulant le ballotement des fluides. Et les données de l’expérience alimentent les études sur les turbulences d’ondes. Elles permettent d’améliorer la compréhension du fonctionnement des océans, de leur interaction avec l’atmosphère ou encore de la manière dont se forme la houle et plus particulièrement les vagues dites « scélérates », des vagues de grande ampleur, imprévisibles et dangereuses. Elles surviennent de manière aléatoire et sont donc difficilement observables. Les scientifiques soupçonnent en effet que la composante capillaire de ces vagues joue un rôle dans le phénomène.

Fluidics-L, la relève

Le Cadmos développe une nouvelle version de l’expérience destinée à l’étude des turbulences d’ondes : Fluidics-L, L comme linear. Le mouvement de rotation a en effet été remplacé par un mouvement d’avant et arrière, le long d’un rail, pour générer les ondes de surface sur le liquide. « Car l’effet centrifuge provoqué par la rotation perturbait la propagation des ondes, explique Jérôme Daniel, responsable de l’expérience Fluidics au Cadmos. En lien avec les scientifiques, nous avons donc décidé de modifier le mouvement. »

Pour les industriels, ce mouvement d’avant/arrière permettra également de simuler les mouvements d’impulsion donnés au satellite, lors de RDV en orbite par exemple.

Autres évolutions : 

• Les sphères sont plus grandes (20 cm de diamètre contre 10 pour Fluidics) : plus de liquide et de visibilité sur les phénomènes.
• Un traitement spécifique sur les parois des sphères permet au liquide en micropesanteur de se répartir de manière plus homogène.
• Le moteur de Fluidics-L est plus puissant, le dispositif a donc été « suspendu » à des ressorts. Le but : amortir les vibrations pour éviter qu’elles ne se propagent  au reste de l’habitacle pendant que l’expérience fonctionne.

Partenaires

• Airbus DS, ESA
• École normale supérieure
• Université Paris 7
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse et les industriels COMAT et EREMS.

Contact

Responsable Fluidics au Cadmos
Jérôme Daniel
Courriel : jerome.daniel at cnes.fr