Entendendo a fervura para ajudar a indústria nuclear e as missões espaciais

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Para lançar missões estendidas no espaço, a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) está pegando emprestado uma página da indústria de engenharia nuclear: está tentando entender como funciona a ebulição.

O planejamento de missões de longo prazo levou a NASA a pesquisar maneiras de armazenar a menor quantidade possível de combustível criogênico para uma decolagem eficiente. Uma solução potencial é reabastecer o foguete no espaço usando depósitos de combustível colocados em órbitas baixas da Terra. Dessa forma, a espaçonave pode carregar a carga de combustível mais leve – o suficiente para atingir a órbita baixa da Terra para reabastecer conforme necessário e completar a missão. Mas o reabastecimento no espaço requer um conhecimento profundo dos combustíveis criogênicos.

“Precisamos entender como a ebulição de criogênios se comporta em condições de microgravidade [encontradas no espaço]”, diz Florian Chavagnat, candidato a doutorado do sexto ano no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE). Afinal, entender como os criogênicos fervem no espaço é fundamental para a estratégia de gerenciamento de combustível da NASA. A grande maioria dos estudos sobre ebulição avalia fluidos que fervem em altas temperaturas, o que não se aplica necessariamente aos criogênicos. Sob a orientação de Matteo Bucci e Emilio Baglietto, Chavagnat está trabalhando em pesquisas patrocinadas pela NASA sobre criogênios e a forma como a falta de flutuabilidade no espaço afeta a ebulição.

Uma infância gasta consertando

Uma compreensão profunda da engenharia e dos fenômenos físicos é exatamente o que Chavagnat desenvolveu ao crescer em Boussy-Saint-Antoine, um subúrbio de Paris, com pais que trabalhavam para a SNCF, a empresa ferroviária estatal nacional. Chavagnat se lembra de discutir o funcionamento de trens e motores com seu pai engenheiro e construir uma variedade de modelos de madeira de balsa. Um de seus projetos memoráveis ​​foi um veleiro movido por um motor de uma escova de dentes elétrica.

Na adolescência, Chavagnat ganhou um torno de metal de presente. Seus ajustes se tornaram uma obsessão; um motor de ar comprimido era um projeto favorito. Logo o pequeno galpão de seus pais, destinado à jardinagem, transformou-se em fábrica, lembra Chavagnat, rindo.

O amor de toda a vida por matemática e física impulsionou um caminho para o Instituto Nacional de Ciências Aplicadas em Rouen, na Normandia, onde Chavagnat estudou energia e propulsão como parte de um programa de engenharia de cinco anos. Em seu último ano, Chavagnat estudou engenharia atômica no INSTN Paris-Saclay, parte da conceituada Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA).

O último ano de estudos no CEA exigia um estágio de seis meses, que tradicionalmente define o caminho para o emprego. Chavagnat decidiu arriscar e se inscrever para um estágio no MIT NSE, sabendo que seu curso futuro poderia ser incerto. "Não corri muitos riscos na minha vida, mas este foi um grande risco", diz Chavagnat. A aposta valeu a pena: Chavagnat ganhou o estágio com Charles Forsberg, que abriu caminho para sua admissão como aluno de doutorado. "Escolhi o MIT porque sempre foi a escola dos meus sonhos", diz Chavagnat. Ele também gostou da ideia de desafiar a si mesmo para melhorar suas habilidades de falar inglês.

Um amor pela física e transferência de calor

Chavagnat adora física - "se eu puder estudar qualquer problema em física, ficaria feliz", diz ele - o que o levou a trabalhar na transferência de calor, mais especificamente na transferência de calor por ebulição. Sua pesquisa inicial de doutorado se concentrou na ebulição transiente em reatores nucleares, parte da qual foi publicada no International Journal of Heat and Mass Transfer.

A pesquisa de Chavagnat visa um tipo específico de reator nuclear chamado reator de teste de material (MTR). Cientistas nucleares usam MTRs para entender como os materiais usados ​​nas operações da planta podem se comportar sob uso de longo prazo. Combustível nuclear densamente compactado, operando em alta potência, simula efeitos de longo prazo usando um fluxo de nêutrons muito intenso.

Para evitar falhas, os operadores limitam a temperatura do reator fluindo água muito fria em alta velocidade. Quando a potência térmica do reator aumenta incontrolavelmente, a água encanada começa a ferver. A ebulição funciona para evitar o derretimento, alterando a moderação de nêutrons e extraindo calor do combustível. "[Infelizmente], isso só funciona até atingir um certo fluxo de calor no revestimento do combustível, após o qual a eficiência cai completamente", diz Chavagnat. Uma vez que o fluxo de calor crítico é atingido, o vapor d'água começa a cobrir e isolar os elementos do combustível, levando a um aumento rápido das temperaturas do revestimento e potencial queima.