Expérience de Marangoni dans l'espace-2 (MEIS-2)

L'astronaute de l'Agence spatiale canadienne Bob Thirsk, le spécialiste du laboratoire japonais durant la mission Expedition 20/21, a assemblé le matériel d'expérimentation MEIS pendant son séjour en orbite. Les expériences ont été réalisées tout au long de l'automne 2009. Pour plus d'information - voir la vidéo de l'atterrissage de Robert Thirsk au Kazakhstan (anglais seulement)

Suspendu entre deux disques solides, s'allonge un pont liquide qui doit sa délicate forme à l'environnement de microgravité de la Station spatiale internationale (ISS). Il est ici question d'une expérience de physique des fluides que le Dr Robert (Bob) Thirsk a réalisé en tant que membre de l'équipage de la mission de longue durée Expedition 20/21 à bord de l'ISS.

On se sert des ponts liquides pour produire certains cristaux semi-conducteurs fréquemment utilisés en électronique. Les semi-conducteurs font partie intégrante de nombreux dispositifs technologiques, comme les microprocesseurs qui exécutent des programmes complexes et régissent l'affichage graphique de nos ordinateurs, les circuits intégrés qui commandent nos téléphones cellulaires et les transistors qui amplifient le son émis par nos chaînes stéréo. Toutefois, les procédés de fabrication des semi-conducteurs sont encore imparfaits. C'est pourquoi plusieurs spécialistes des sciences des matériaux et physiciens des fluides s'emploient à les améliorer. Parmi eux, Masahiro Kawaji, de l'Université de Toronto, s'intéresse aux processus physiques qui sous-tendent la formation des cristaux. Il s'est joint à l'équipe scientifique de l'Agence spatiale du Japon (JAXA) qui veut préciser le rôle que joue la convection de Marangoni sur la formation des cristaux. Comme il est difficile d'étudier ce type de convection sur Terre, on a recours aux conditions qui règnent à bord de la station.

Un pont liquide d'huile de silicone formé dans le module d'expérimentation en physique des fluides de l'ISS. (Source : JAXA)

Au début de l'été 2009, le Dr Thirsk a assemblé les instruments de l'expérience de Marangoni dans l'espace-2 (MEIS-2) et les a inséré dans le bâti aménagé dans l'installation expérimentale de physique des fluides de JAXA, à bord de la station spatiale. Au préalable, Robert Thirsk avait suivi au Japon sa formation comme spécialiste de mission, ce qui a facilité son travail dans le module japonais Kibo. Il a mis l'expérience en marche et s'est assuré que tout fonctionne sans accrocs.

Image des disques de refroidissement et chauffant

Les disques solides du JAXA. (Source : JAXA)

Un pont liquide a été suspendu de part et d'autre de deux disques solides, l'un froid, l'autre chaud. Les parois du pont liquide n'ont été en contact qu'avec des gaz. Sur Terre, à cause des effets de la gravité, les liquides sont habituellement exposés à une interface solide, par exemple un bassin dans lequel est déposé un récipient d'eau. Les gradients de température entre les surfaces supérieure et inférieure du liquide créent une convection imprimée par la tension de surface (convection de Marangoni), qui transfère l'énergie aux molécules et les anime. On peut étudier ce type de convection en raison de l'absence de la convection associée à la poussée hydrostatique, un phénomène et résultant de la gravité. Cette convection produite par la poussée hydrostatique s'observe aisément lorsqu'on fait bouillir de l'eau dans une casserole. En chauffant, les molécules deviennent moins denses et montent à la surface, puis elles sont rapidement remplacées par d'autres molécules froides ayant été chauffées. Ainsi s'installe un cycle de montées et de descentes animé par la gravité. Parce que cette expérience a lieu en condition de quasi-apesanteur, la convection attribuable à la poussée hydrostatique n'est plus un facteur déterminant. Les scientifiques pourront donc étudier isolément la convection de Marangoni. En comprenant mieux les instabilités à l'interface solide-liquide, ils seront en mesure de proposer des améliorations à la production de cristaux semi-conducteurs.

M. Masahiro Kawaji de l'Université de Toronto.

Bien que les instruments de l'expérience de JAXA soient de conception entièrement japonaise, le scientifique canadien Masahiro Kawaji a grandement contribué au projet. Il a mis au point une technique qui permet de mesurer la vitesse des molécules de liquide. À l'aide d'une caméra vidéo, il peut suivre les traces sombres formées par une teinture photosensible ajoutée à un liquide et mesurer la vitesse du mélange tourbillonnant. S'appuyant sur un modèle numérique, il peut déterminer les effets du mouvement du liquide sur la stabilité du processus de croissance du pont liquide.

Masahiro Kawaji a apporté également son concours à l'expérience JAXA en étudiant les effets des vibrations produites sur le pont liquide par les équipements de la station spatiale. On veut ainsi vérifier que les comportements observés ne peuvent être attribués à des vibrations externes.

De gauche à droite : Situé dans le module Kibo, le bâti d'expérimentation Ryutai héberge l'installation expérimentale de physique des fluides qui contient le pont liquide. (Source : JAXA)

Les résultats des expériences de Marangoni menées dans l'installation de physique des fluides à bord de l'ISS pourraient donner lieu à des cristaux semi-conducteurs de meilleure qualité et plus efficaces. On pourrait ainsi fabriquer à moindres coûts des composants électroniques fonctionnant encore plus rapidement. Les consoles de jeu et lecteurs DVD de prochaine génération seront, en quelque sorte, le fruit du sens d'innovation dont font preuve les scientifiques et les astronautes de la Station spatiale internationale.