Comprendere l'ebollizione per aiutare l'industria nucleare e le missioni spaziali

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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.

La pianificazione di missioni a lungo termine ha portato la NASA a ricercare modi per imballare la minor quantità possibile di carburante criogenico per un decollo efficiente. Una potenziale soluzione è quella di rifornire il razzo nello spazio utilizzando depositi di carburante posizionati in orbite terrestri basse. In questo modo, la navicella 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 combustibili criogenici.

"Dobbiamo [dobbiamo capire] come si comporta l'ebollizione dei criogeni in condizioni di microgravità [incontrate nello spazio]", afferma Florian Chavagnat, un dottorando al sesto anno presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE). Dopotutto, comprendere 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 i 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 galleggiabilità nello spazio influisce sull'ebollizione.

Un'infanzia trascorsa ad armeggiare

Una profonda comprensione dei fenomeni fisici e ingegneristici è esattamente ciò che Chavagnat ha sviluppato crescendo a Boussy-Saint-Antoine, un sobborgo di Parigi, con genitori che lavoravano per la SNCF, la compagnia ferroviaria statale nazionale. Chavagnat ricorda di aver discusso del funzionamento dei treni e dei 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 adolescente, Chavagnat ricevette in regalo un tornio per metallo. Il suo armeggiare divenne un'ossessione; un motore ad aria compressa era uno dei progetti preferiti. Ben presto la piccola rimessa dei suoi genitori, destinata al giardinaggio, divenne una fabbrica, ricorda Chavagnat ridendo.

Un amore permanente per la matematica e la fisica lo ha spinto a intraprendere un percorso verso l'Istituto Nazionale di Scienze Applicate di 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 prevedeva uno stage della durata di sei mesi, che tradizionalmente pone le basi per un lavoro. Chavagnat ha deciso di rischiare e di fare domanda per uno stage presso il 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 è stata vinta: Chavagnat ha vinto lo stage presso Charles Forsberg, che ha aperto la strada alla sua ammissione come dottorando. "Ho scelto il MIT perché è sempre stata la scuola dei miei sogni", dice Chavagnat. Gli piaceva anche l'idea di mettersi alla prova per migliorare le sue abilità di lingua inglese.

Un amore per la fisica e il trasferimento di calore

Chavagnat ama la fisica - "se potessi studiare qualsiasi problema di fisica, sarei felice", dice - il 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 stata pubblicata sull'International Journal of Heat and Mass Transfer.

La ricerca di Chavagnat prende di mira un tipo specifico di reattore nucleare chiamato reattore per test sui materiali (MTR). Gli scienziati nucleari utilizzano gli MTR per capire come i materiali utilizzati nelle operazioni degli impianti potrebbero comportarsi in caso di utilizzo a lungo termine. Il combustibile nucleare densamente impacchettato, 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 carburante. "[Sfortunatamente], questo funziona solo fino a quando non si raggiunge un certo flusso di calore sul rivestimento del carburante, dopodiché l'efficienza diminuisce completamente", dice Chavagnat. Una volta raggiunto il flusso di calore critico, il vapore acqueo inizia a ricoprire e isolare gli elementi del combustibile, portando a un rapido aumento della temperatura del rivestimento e a una potenziale combustione.