L’un des obstacles rencontrés dans les observatoires astronomiques basés au sol est un phénomène connu sous le nom de “mirage” qui consiste en une dégradation de la qualité de l’image en raison d’une augmentation du brouillage des objets et d’une réduction du contraste dans les images prises avec une longue exposition. Le phénomène apparaît lorsque les turbulences thermiques et celles du vent créent des couches fluctuantes d’indices réfractifs sur le parcours du faisceau optique. Un petit objet chaud à proximité du miroir secondaire peut alors avoir un effet désastreux sur la précision du télescope. Une condition sine qua non est donc que la température de surface du limiteur thermique ne dépasse jamais de plus de 10°C la température ambiante pour éviter que des écoulements induits par une poussée thermique créent des perturbations qui engendreraient un tel mirage.

Dans la phase de conception du projet, Thermacore a ainsi dû démontrer l’efficacité et la robustesse de son système de refroidissement dans une large variété de conditions d’utilisation, et y inclure un certain nombre de scénarios de pannes au cours desquelles un défaut sur un autre élément aboutirait à ce que le télescope ne soit plus aligné correctement.

La température de surface (et les écoulements générés autour du limiteur thermique) dépendent d’un certain nombre de phénomènes physiques en interaction. En simulant le limiteur thermique, les ingénieurs devaient prendre en considération les écoulements multiphasiques à l’intérieur des échangeurs en mousse métallique, conjuguer le transfert thermique au sein du système de limiteur et de la mèche interne, et analyser la convection naturelle et le rayonnement thermique autour de ce même limiteur.

Petits rappels sur les échangeurs de chaleur à mousse métallique

On assiste, depuis une dizaine d’années, à une augmentation sensible des applications d’une nouvelle catégorie d’appareils de transfert thermique connus sous le nom d’échangeurs thermiques à mousse métallique. Utilisés conjointement à un réfrigérant monophasique injecté ou à un gaz lui aussi injecté, ces systèmes font appel à une couche poreuse de matériau conductible sous la surface de transfert thermique pour réaliser un transfert thermique efficace. Dans ces appareils, le transfert convectif vers le réfrigérant choisi se combine à “l’effet d’ailette” produit par l’importante surface de la structure conductrice poreuse pour produire un transfert d’énergie efficace. Un échangeur de chaleur en matériau poreux peut être utilisé pour dissiper de très grands flux thermiques tels que ceux rencontrés dans ce télescope solaire, ou pour fournir un transfert thermique très efficace pour des flux beaucoup moins importants.

La surface augmentée s’obtenant cependant au détriment d’une résistance accrue du flux thermique, on utilise des entrées et des sorties d’air très rapprochées. La taille des pores est par ailleurs suffisamment faible pour éviter un flux “court-circuit” près des parois. L’épaisseur de la structure poreuse décrite ici est généralement de l’ordre de 0,020 à 0,050.

Un effort significatif a été fait récemment pour améliorer la compréhension des transferts thermiques par flux convectifs forcés dans les échangeurs thermiques en métaux précieux. Cet effort a permis de mieux en comprendre les principes fondamentaux et a ouvert la voie à de nouvelles applications, comme pour le télescope solaire DKIST.