Cas utilisateurs

La NASA associe modélisation thermique et essais expérimentaux pour identifier la meilleure conception de compresseur pour le système de maintien de la respirabilité de l’air à bord de la Station spatiale internationale.

Par Fanny Griesmer
Août 2024

Vivre à bord de la Station spatiale internationale (ISS) est en grande partie possible grâce au système qui capte et élimine le dioxyde de carbone (CO₂) présent dans l'air. La pièce maîtresse de ce système est un compresseur, qui assure le captage du CO₂. Ce dernier comporte néanmoins des inconvénients : il est bruyant et nécessite une maintenance fréquente. Les ingénieurs de la NASA ont eu recours à la modélisation et à la simulation, ainsi qu'à des essais expérimentaux, pour analyser la prochaine génération de compresseurs, capables de fonctionner plus silencieusement, tout en nécessitant moins d'entretien et en présentant un coût de fabrication moins élevé.

La technologie d’élimination des polluants permet aux astronautes de respirer à bord de l'ISS

Les astronautes qui s'engagent à vivre et à travailler à bord de l'ISS accordent une grande confiance aux ingénieurs responsables de la technologie d'élimination des polluants chargée de débarrasser la cabine de son CO₂ (Image 1). "Actuellement, il existe un système appelé Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA)," explique le Dr. Hannah Alpert, ingénieure en systèmes aérospatiaux au Centre de recherche Ames de la NASA.

Deux astronautes vêtus de t-shirts noirs et de shorts cargo, flottant légèrement, manipulent et examinent un équipement de dépollution.

Image 1. Astronautes travaillant sur le CDRA. Image de la NASA et du domaine public via Wikimedia Commons.

"Le CDRA absorbe le dioxyde de carbone pour l'éliminer de la cabine. Ce dioxyde de carbone est alors envoyé dans un réacteur Sabatier [où] il est combiné à de l'hydrogène provenant du système de production d'oxygène pour produire de l'eau," poursuit-elle. Cette eau est ensuite mise à la disposition des astronautes pour être bue. Le système produit également du méthane, qui est évacué dans l'espace (Figure 2). "Ce système en boucle fermée permet de maintenir les astronautes en vie. Cependant, pour que le réacteur Sabatier fonctionne le dioxyde de carbone doit être à une pression supérieure à celle à laquelle il est absorbé. C'est pourquoi nous avons un compresseur entre le CDRA et le réacteur Sabatier," précise le Dr. Alpert. Le CDRA est actuellement en train d’être modernisé avec un nouveau système de vapeur moléculaire à quatre lits : appelé épurateur de CO₂ à quatre lits, ou 4BCO2.

Un organigramme montrant le CO2 passant du 4BCO2 au compresseur puis au réacteur Sabatier, tandis que l'H2 passe du système de production d'oxygène au réacteur Sabatier, et que le CH4 passe du réacteur Sabatier à l'espace et l'H2O aux astronautes ; les déchets des astronautes retournent au système de production d'oxygène.

Figure 2. Schéma du système d'élimination des polluants. Illustration originale autorisée par la NASA, modifiée par COMSOL.

Le Dr. Alpert explique que le nouveau système est censé améliorer la fiabilité et les performances du CDRA, ce qui implique qu’ils opèrent plusieurs changements. Tout d'abord, le sorbant utilisé pour le captage du CO₂ est devenu obsolète et a donc dû être remplacé. De plus, certains composants ont été redessinés. "Le lit est passé d’un lit rectangulaire à un lit cylindrique, le cœur de chauffe a été modifié pour mieux répartir le sorbant et éliminer les espaces vides, et nous avons ajouté un filtre pour capturer la poussière ainsi que de nouvelles vannes pour prolonger la durée de vie du système," souligne le Dr. Alpert. Toutefois, la fonctionnalité de base de l'intégration du 4BCO2 au compresseur, sur laquelle travaille l'équipe du Dr. Alpert, est essentiellement la même que celle du système en place.

Repenser le compresseur

Le système actuel est équipé d'un compresseur mécanique lourd et puissant, qui génère beaucoup de bruit. Les nombreuses pièces mécaniques en rotation nécessitent une maintenance fréquente et, globalement, sa fabrication et son fonctionnement sont coûteux. "Nous étudions donc des technologies alternatives et l'une de nos principales options est le compresseur d'adsorption à variation de température refroidi à l'air, ou AC-TSAC," explique le Dr. Alpert.

Ce nouveau type de compresseur devrait apporter de nombreux avantages à l'ISS. "Le compresseur AC-TSAC est plus léger et a des besoins en énergie moins importants ; il est moins bruyant, donc moins gênant pour les astronautes de l'ISS ; il ne contient pas de pièces rotatives, ce qui devrait réduire la fréquence de remplacement des pièces ; et son coût de fabrication est moins élevé et il est plus facile à fabriquer," précise le Dr. Alpert.

L'AC-TSAC contient un lit rempli de minéraux qui captent le CO₂, appelés pastilles de zéolithe, dont l’absorption est plus efficace à température ambiante. Le cycle complet de mise sous pression du CO₂ dure 150 minutes et se déroule de la manière suivante : l'AC-TSAC est refroidi à la température ambiante pour adsorber le CO₂; puis il est chauffé pour le libérer, ce qui augmente la pression dans les réservoirs. Ensuite, le CO₂ pressurisé est acheminé vers le réacteur Sabatier, qui le transforme en eau. La période de refroidissement dure environ 60 minutes, le réchauffement prend 25 minutes supplémentaires et la phase de chauffage est maintenue pendant environ 75 minutes. Pour s'assurer que le réacteur Sabatier soit constamment alimenté en CO₂, l'AC-TSAC est divisé en deux lits. L'un est en phase de chauffage et d'adsorption tandis que l'autre est en phase de refroidissement et de production, puis ils permutent (Figure 3).

Organigramme illustrant le processus AC-TSAC, du refroidissement à l'adsorption, puis à la compression, à la production, avant de revenir au refroidissement.

Figure 3. Fonctionnement de l’AC-TSAC. Illustration originale autorisée par la NASA, modifiée par COMSOL.

L'équipe a déjà développé une version de l'AC-TSAC et utilise maintenant la modélisation thermique pour améliorer davantage sa conception.

La modélisation thermique éclaire les choix de conception

Comme elle l'a déjà fait dans le cadre d’autres projets, le Dr. Alpert a eu recours à la plateforme de simulation COMSOL Multiphysics^® pour construire des modèles du design actuel de l'AC-TSAC. "« Nous avons trouvé COMSOL^® extrêmement utile au cours des dernières années. L'un des premiers projets sur lequel j'ai travaillé lorsque j'ai rejoint la NASA était la modélisation d'un capteur de flux thermique placée sur le bouclier thermique de Mars 2020, et récemment, j'ai utilisé le Module Optimization pour reproduire le flux thermique de surface sur un bouclier thermique, en utilisant les températures des thermocouples intégrés," raconte le Dr. Alpert.

Pour le projet du compresseur, elle a réalisé les versions 3D et 2D du modèle et a ainsi pu conclure que les deux versions fournissaient les mêmes résultats. Elle a donc opté pour le modèle 2D, car il prenait moins de temps d’exécution. Comme le montre le modèle (Figure 4), l'AC-TSAC contient trois étagères au centre et des pastilles de zéolithe dans les espaces libres. Entre chaque étagère se trouvent des plaques chauffantes à résistance pour chauffer le lit. Les circuits de refroidissement permettent à l'air de circuler pendant la phase de refroidissement.

Une photo d'un compresseur accompagnée de ses représentations en 3D et 2D.

Figure 4. Compresseur réel (en bas à gauche) et les modèles le représentant en 3D (en haut à gauche) et en 2D (à droite). Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

Valider le modèle grâce à des tests en conditions réelles

Pour valider le modèle, l'équipe a utilisé les relevés de température et de puissance de deux séries de tests menés sur l'AC-TSAC. Comme l'explique le Dr. Alpert, "la première campagne consistait à tester la fonctionnalité avec les deux lits sur le centre NASA Marshall, en octobre 2022. Ensuite, nous avons mené une campagne d'essais plus ciblée au centre NASA Ames, en utilisant un seul lit pour mieux isoler les propriétés exactes."

Lors du test à NASA Marshall, des détecteurs de température à résistance ont été placés à des endroits spécifiques de la surface chauffante pour mesurer la température. A partir des résultats obtenus, ils ont utilisé la température mesurée comme l'une des conditions limites du modèle et ont exécuté ce dernier pour vérifier si la température modélisée correspondait aux données expérimentales. Les résultats ont été très satisfaisants, ce qui a permis au Dr. Alpert et à son équipe d'avoir confiance dans le modèle (Figure 5). De même, en ce qui concerne la puissance absorbée dans le lit, l'équipe a pu faire correspondre les données expérimentales au modèle. Pour ce test, ils ont uniquement examiné la phase de chauffage du cycle.

Modèle de compresseur 2D montrant deux points de mesure de température, l'aluminium en gris, le sorbant en violet, l'air en bleu et le chauffage en rouge.

Graphique 1D montrant l'augmentation de la température de la surface du chauffage et du sorbant au fil du temps, tant pour les données expérimentales que pour les résultats du modèle.

Figure 5. Les résultats expérimentaux du test avec les deux lits et du modèle montrent une bonne concordance. Dans le modèle 2D, les chiffres 1 et 2 indiquent les emplacements des mesures de température utilisées pour la validation du modèle. Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

Ensuite, pour s'assurer de la puissance appliquée, l'équipe a effectué le test ciblé à NASA Ames. Ce test n’a porté que sur un seul lit et a permis de recueillir des données expérimentales sur la surface chauffante et le point de sorption. Dans le cas présent, ils ont utilisé la puissance mesurée comme donnée d'entrée de leur modèle. Puis, ils ont mesuré les températures au niveau de la surface chauffante et en un point du sorbant. Lorsqu'ils ont comparé le modèle aux résultats des essais, ils ont constaté une bonne concordance des données (Figure 6).

Graphique 1D représentant la température et la puissance en fonction du temps pour les données expérimentales et les résultats du modèle.

Figure 6. Les résultats expérimentaux de l'essai ciblé et le modèle thermique montrent une bonne concordance. Crédit image NASA.

Une fois le modèle validé, le Dr. Alpert et son équipe ont pu analyser l’impact des différents changements de conception sur le chauffage et la vitesse de chauffage du compresseur.

Etudes comparatives des conceptions

Dans le cadre de leur recherche du meilleur design, l’équipe a réalisé quatre études comparatives spécifiques : chauffages internes vs. externes, lit en aluminium vs. chambres à vapeur, lit rectangulaire vs. cylindrique, et nombre total de compartiments. L’objectif principal était d’atteindre rapidement une température élevée et d’assurer une température uniforme dans tout le lit pendant la phase de montée en température.

Comparaison des systèmes de chauffages internes et externes

"Le premier changement de conception que nous avons envisagé a été d'abandonner les chauffages internes. À l'heure actuelle, les chauffages résistifs internes se trouvent au milieu des lits, et ils constituent un point de défaillance potentiel. Il y a beaucoup de fils qui entrent dans le lit et c'est un ensemble complexe et désordonné de fils et de résistances," indique le Dr. Alpert. L'équipe s'est donc demandé s’il était possible de déplacer ces éléments chauffants à l'extérieur du lit et si cela permettrait de chauffer le sorbant rapidement et uniformément. À l'aide du modèle du Dr. Alpert, ils ont alimenté les résistances internes et externes afin de comparer la vitesse et l'homogénéité du chauffage (Figure 7).

Modèle de compresseur 2D montrant quatre chauffages internes en orange et deux chauffages externes en bleu.

Graphique 1D montrant la température et la différence de température dans les éléments chauffants et le sorbant au fil du temps.

Figure 7. La modélisation thermique montre que les chauffages externes (bleu) ont des performances similaires à celles des chauffages internes (orange). Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

"Ce que nous avons constaté ici, c'est que le fait de passer de chauffages internes à externes n'a pas eu un impact très important. Cela signifie que l'utilisation de chauffages externes plutôt qu'internes peut améliorer, ou au moins d'obtenir la même uniformité de température du sorbant tout en réduisant la complexité du système," commente le Dr. Alpert.

Lit d'aluminium ou chambres à vapeur

Pour le second changement de conception, l'équipe souhaitait étudier l'effet du passage d'un lit d'aluminium à l'utilisation de chambres à vapeur (Figure 8). Comme l'explique le Dr. Alpert, "les chambres à vapeur sont des caloducs qui diffusent efficacement la chaleur dans plusieurs directions. La chaleur est appliquée à une extrémité de la chambre à vapeur, puis une petite quantité de liquide est piégée dans la chambre. Ce liquide s'évapore en vapeur, circule dans la chambre, la réchauffe très rapidement, puis la vapeur se condense lorsqu'elle atteint les zones plus froides. Ensuite, par capillarité, le liquide retourne vers la source de chaleur et le cycle se répète." Elle poursuit : "Cela permet d'obtenir une conductivité thermique effective extrêmement élevée, de l'ordre de 10 000 à 100 000 W/m-K."

La NASA travaille avec des partenaires externes pour la fabrication et le test des chambres à vapeur, ainsi que pour la réalisation de modélisation haute-fidélité. Cependant, pour cette analyse, l'équipe a modélisé les chambres à vapeur en utilisant les propriétés de l'aluminium, mais en appliquant une conductivité thermique beaucoup plus élevée, afin de se faire une idée des effets qui en résulteraient. Le Dr. Alpert indique "la principale conclusion de l’étude est que lorsque l’on passe d’un lit d'aluminium à un lit de chambre à vapeur, même si la température moyenne du sorbant reste à peu près la même, l'utilisation de chambres de vapeur peut améliorer l'uniformité de la température du sorbant." Cela s'est avéré particulièrement vrai dans le cas cylindrique, qui fait partie de la troisième étude de conception.

Graphique 1D montrant la température et l'uniformité du sorbant dans un lit rectangulaire, comparant un lit en aluminium à des chambres à vapeur.

Graphique 1D montrant la température et l'uniformité du sorbant dans un lit cylindrique, comparant un lit en aluminium à des chambres à vapeur.

Figure 8. La température moyenne du sorbant (lignes continues) est largement inchangée, mais l'uniformité (lignes pointillées) est bien meilleure pour les chambres à vapeur. Images originales autorisées par la NASA, modifiée par COMSOL.

Lit rectangulaire ou cylindrique

Le Dr. Alpert a utilisé un modèle simplifié pour comprendre comment la modification de la forme du lit affecte l'uniformité de la température. "J'ai gardé la même surface de sorbant. La distance entre l'aluminium ou la chambre à vapeur est la même ainsi que la longueur de l'élément chauffant. C'est ainsi que j'ai défini le problème," explique-t-elle. (Figure 9) L'analyse a montré que les deux formes produisent des températures moyennes de sorbant similaires, mais que la température est bien moins uniforme dans le cas cylindrique lorsqu'il est fait d'aluminium. Pour le Dr. Alpert, cela semblait logique : "L'absorbant est séparé par des parois en aluminium et le dispositif de chauffage se trouve juste à l'extérieur. Le sorbant le plus proche de l'élément chauffant sera donc beaucoup plus chaud que le sorbant situé à l'intérieur."

Deux modèles 2D côte à côte, l'un circulaire et l'autre rectangulaire, contenant tous deux de l'aluminium, un sorbant et des éléments chauffants.

Figure 9. Conceptions de lits cylindriques et rectangulaires, la surface de l'absorbant, la distance entre les chambres d'aluminium/vapeur et la longueur de l'élément chauffant restant inchangées. Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

Lorsqu'ils sont passés à une structure de chambre à vapeur, la conductivité thermique était suffisamment élevée pour que la chaleur s'écoule très rapidement à travers les parois. Dans ce cas, l'équipe a remarqué que l'uniformité de la température est assez similaire entre les formes rectangulaires et cylindriques du lit (Figure 10).

Graphique 1D illustrant la température du sorbant et la différence de température pour une structure en aluminium rectangulaire par rapport à une structure cylindrique.

Graphique 1D illustrant la température du sorbant et la différence de température pour une structure de chambre à vapeur rectangulaire par rapport à une structure cylindrique.

Figure 10. La comparaison des deux formes et des deux structures de lit indique que la structure de la chambre de vapeur donne des résultats similaires pour les deux formes de lit. Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

Nombre de compartiments

Dans la quatrième étude de conception, l'équipe a analysé le nombre de compartiments de sorbant pour voir si le fait d'en ajouter ou d'en enlever affecterait la température moyenne et l'uniformité de la température (Figure 11). Le Dr. Alpert n'a pas été surprise de voir que l'augmentation du nombre de compartiments améliorait l'uniformité de la température, car cela signifiait que les chambres étaient plus proches les unes des autres. "Chacun des compartiments est plus petit, mais nous avons ajouté plus d’inertie thermique parce qu'il y a maintenant plus d'aluminium dans le système. Cela diminue donc le taux de chauffage global pour la température moyenne du sorbant," souligne le Dr. Alpert.

Trois modèles 2D côte à côte montrant respectivement 5 segments, 7 segments et 9 segments.

Graphique 1D montrant la température du sorbant et la différence de température pour 5, 7 et 9 compartiments.

Figure 11. L'augmentation du nombre de compartiments dans le modèle de compresseur (à gauche) améliore l’uniformité de la température (à droite). Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

L'équipe a également constaté que le fait de conserver le même volume pour l'ensemble du système, mais d'ajouter des compartiments, diminue en réalité la quantité de sorbant qui peut tenir dans un volume donné. La quantité de CO₂ pouvant être éliminée s'en trouve donc réduite.

Analyses de sensibilité des performances

Outre les études de conception, l'équipe de la NASA a également cherché à augmenter la conductivité thermique de l'absorbant. "Nous voulions voir dans quelle mesure nous devions augmenter la conductivité thermique et quel en serait l'effet," précise le Dr. Alpert.

Dans le modèle thermique de la conception originale de l'AC-TSAC, l'équipe a constaté que l'augmentation de la conductivité thermique de l'absorbant n'avait pas beaucoup d'effet sur sa température moyenne, mais qu'elle améliorait l'uniformité de la température dans une large mesure. "Cela nous indique que nous allons vraiment dans la bonne direction et [par conséquent] nous concentrons une grande partie de nos efforts de développement sur ce point," explique le Dr. Alpert.

De la même façon, lorsque l'équipe a augmenté la conductivité thermique dans son modèle de lit cylindrique avec chambre à vapeur, les résultats de la simulation ont montré une grande amélioration de l'uniformité de la température du sorbant dans l'ensemble du lit (Figure 12).

Graphique 1D illustrant la température du sorbant et la différence de température dans le modèle thermique AC-TSAC original.

Graphique 1D illustrant la température du sorbant et la différence de température dans la meilleure conception.

Figure 12. L'augmentation de la conductivité thermique (k) réduit la différence de température du sorbant dans le lit. Images originales autorisées par la NASA, modifiées par COMSOL.

Enfin, l'équipe a analysé l'effet de l'augmentation de la puissance d'entrée. "Il est évident que l'augmentation de la puissance entraîne une augmentation de la température, mais nous voulions avoir une idée de l'augmentation de la vitesse de chauffage et de la perte d'uniformité de la température," indique le Dr. Alpert. Les résultats ont montré qu'en appliquant 1000 W au lieu de 600 W pendant 30 minutes, il est possible de chauffer 100^°C de plus, mais l'uniformité de la température est réduite.

Combiner la simulation et les essais expérimentaux pour trouver de meilleures conceptions

Le Dr. Alpert et son équipe ont réussi à créer un modèle thermique de l'AC-TSAC actuel et à le valider par rapport aux données expérimentales. À l'aide du modèle validé, ils ont pu déterminer les paramètres de conception à modifier pour obtenir les résultats souhaités. Grâce à la simulation, l'équipe a appris que les chauffages externes réduisent la complexité du système et le risque de défaillance, que les chambres à vapeur ont une conductivité thermique plus élevée et qu’elles améliorent ainsi l'uniformité de la température du sorbant. L’équipe devrait donc continuer à se concentrer sur l'augmentation de la conductivité thermique du sorbant.

Pour l’avenir, le Dr. Alpert souligne que l’équipe n’a jusqu'à présent examiné que la phase de chauffage, mais qu’elle doit aussi se pencher sur les phases d'état d'équilibre et de refroidissement du cycle. L'équipe continuera également à valider le modèle thermique à l'aide de données expérimentales et à prendre en compte des mécanismes tels que les pertes de chaleur.

"COMSOL est une plate-forme multiphysique intéressante," confie le Dr. Alpert, "nous pouvons faire plus que de la thermique. Par exemple, à haute température, lorsque la pression augmente pour le CO₂, mais cela n'a pas encore été intégré dans le modèle. C'est quelque chose que nous prévoyons de faire à l'avenir."