Le froid à compression de vapeur pour les applications spatiales

Les vols fréquents vers la Lune, les missions humaines sur Mars et les habitats extraterrestres sont les principaux objectifs des activités actuelles de développement de l'exploration spatiale. L'un des principaux défis pour atteindre ces objectifs est le développement de systèmes de gestion thermique plus légers, plus écoénergétiques et plus résilients pour les engins spatiaux. À ce jour, la plupart des engins spatiaux ont pu rejeter la chaleur directement dans le froid de l'espace, par rayonnement, sans système frigorifique. Cependant, les futures missions dans des environnements plus chauds, certaines régions de la Lune par exemple, seront différentes. Déjà aujourd'hui, les engins spatiaux fournissent souvent un espace refroidi pour conserver des échantillons biologiques ou à d'autres fins scientifiques. Les missions d'exploration spatiale humaine ou un voyage sur Mars nécessiteront un espace refroidi pour le stockage des aliments à long terme. Les méthodes actuelles permettent de stocker la nourriture des astronautes à des températures ambiantes qui entraînent une dégradation de sa valeur nutritive après de longues périodes. 

 

Le rayonnement dans l'espace lointain est le moyen le plus simple d'atteindre de basses températures. Par exemple, les systèmes de contrôle thermique actifs de la Station spatiale internationale pompent des fluides à travers des tuyauteries en boucle fermée ; une boucle de liquide de refroidissement à l'ammoniac permet de maintenir au frais les panneaux solaires de production d'électricité. (1). Cependant, en fonction de la température de refroidissement souhaitée, la taille et la masse du radiateur pour le rejet de chaleur peuvent devenir excessives. C’est la raison pour laquelle les systèmes frigorifiques spatiaux qui utilisent des boucles de refroidissement fournies par les radiateurs comme puits de chaleur suscitent un intérêt croissant. 

 

En particulier, le besoin de températures cryogéniques, souvent pour permettre à des capteurs sensibles de collecter des mesures critiques, a conduit à l’utilisation de presque tous les types de refroidisseurs cryogéniques dans l'espace. Outre les refroidisseurs cryogéniques utilisant notamment les cycles Stirling et Brayton, les refroidisseurs et incubateurs thermoélectriques sont utilisés dans les engins spatiaux en tant que technologie fiable indépendante de la gravité. Les technologies mentionnées peuvent revendiquer des niveaux de maturité technologique élevés, mais sont surpassées en termes d'efficacité énergétique par un cycle à compression de vapeur (CCV) pour la plage de température traditionnelle des réfrigérateurs/congélateurs. 

 

Au regard des décennies de recherche menée sur l'écoulement diphasique en microgravité, il est surprenant que les réfrigérateurs à compression de vapeur ne soient pas encore la norme dans l'espace. Une raison importante du faible niveau de maturité technologique des cycles diphasiques correspondants est le manque de tests en microgravité accessibles. 

 

Un article de la RIF écrit par des chercheurs américains de l'Université Purdue et du Johnson Space Center de la NASA résume les informations existantes sur le froid CCV sous microgravité et pose une série de questions à résoudre dans les travaux de recherche futurs. 

 

Les auteurs concluent que des efforts supplémentaires sont nécessaires pour permettre un froid CCV fiable en microgravité. Un risque potentiel pour les systèmes CCV en microgravité est l'entrée de liquide dans la chambre de compression. Afin d’éviter ce problème, il convient de modifier ou d’adapter la conception du système. En outre, la recherche devrait explorer la pertinence des compresseurs sans huile par rapport aux compresseurs lubrifiés à l'huile, la déshumidification par microgravité pour les applications de refroidissement par air et les différents dispositifs de détente. Des études supplémentaires sur la mise à l'échelle gravitationnelle thermique pourraient fournir des orientations pour la conception des systèmes CCV en microgravité. Enfin, les auteurs suggèrent que les futures technologies de refroidissement dans l’espace soient comparées selon leur masse totale équivalente, en tenant compte de leur masse physique, de leur consommation d'énergie et du volume utilisé. 

 

Sources :

(1) https://www.space.com/21059-space-station-cooling-system-explained-infographic.html 

(2) Brendel L.P.M. et al. Examen d'un système frigorifique à compression de vapeur dans les environnements en microgravité, Revue Internationale du Froid, Mars 2021. Disponible dans FRIDOC (gratuit pour les membres IIF): https://iifiir.org/fr/fridoc/examen-d-un-systeme-frigorifique-a-compression-de-vapeur-dans-les-143211