[Expérience] Les Mousses dans la Station Spatiale Internationale

Portée par de nombreux chercheurs universitaires, l’expérience FOAM-C a pour objectif l’étude du comportement des mousses liquides en apesanteur. Éclairage par Sylvie Cohen Addad2,3, Reinhard Höhler2,3, Dominique Langevin1, Marina Pasquet1, Olivier Pitois3, Emmanuelle Rio1 et Anniina Salonen1, chercheuses et chercheurs au sein de l’Université Paris-Saclay, Sorbonne Université et de l’Université Gustave Eiffel.

Les mousses sont des dispersions de gaz dans des matrices liquides ou solides. Elles sont toutes obtenues par moussage de liquides, les mousses solides étant solidifiées dans un second temps. Pendant sa formation et en raison de la gravité, une mousse perd son liquide par drainage ; au bout de quelques minutes, elle devient très sèche, avec une fraction de gaz Φ proche de 99%. Sur Terre, il est difficile d’étudier les mousses liquides contenant une plus petite fraction de gaz, dites « mousses humides », ce qui limite fortement l’étude de leurs propriétés.

Les mousses ont de nombreuses applications : en isolation thermique et acoustique, amortissement des chocs, flottation des minerais, purification de l’eau, récupération du pétrole, extinction d’incendie, décontamination, alimentation, cosmétique, etc. Leur élaboration repose souvent sur des procédés empiriques, faute de connaissances suffisantes.

Les mousses liquides sont des assemblages de bulles pressées les unes contre les autres et déformées sous forme de polyèdres. Lorsque la fraction de gaz Φ est inférieure à environ 64%, les bulles ne se touchent plus et sont sphériques : il ne s’agit pas de mousse à proprement parler, mais de liquide « bulleux ». Les mousses ont des valeurs de Φ supérieures et présentent un comportement de solide « mou » avec un faible module élastique G. De ce fait, les mousses s’écoulent sous l’effet de contraintes faibles : il suffit de cisailler la mousse à raser avec les doigts pour la fluidifier et l’étaler sur les joues. Par ailleurs, G diminue quand Φ diminue et s’annule à Φ ~ 64% à laquelle a lieu une transition liquide-solide de type transition de blocage (jamming en anglais). Cette transition, encore mal comprise, se retrouve dans d’autres milieux tels les matériaux granulaires (sable) ou encore dans le trafic routier.

Étudier les mousses en apesanteur

Les mousses humides ne pouvant être étudiées sur terre, nous avons répondu à l’appel d’offre de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 1999 en proposant une étude de leurs propriétés mécaniques dans la Station Spatiale Internationale (ISS).  A l’époque, nous étions 2 partenaires, D. Langevin à l’Université d’Orsay (maintenant Paris-Saclay) et D. Weaire au Trinity College de Dublin. D. Durian, à l’Université de Pennsylvanie, était associé au projet via la NASA.

Le groupe de M. Adler à l’Université de Marne-la-Vallée (maintenant Gustave Eiffel) a ensuite rejoint le projet, avec O. Pitois, S. Cohen-Addad et R. Höhler. D’autres équipes ont suivi, N. Vandewalle à l’Université de Liège, S. Cox, à l’Université d’Aberystwyth, et l’année dernière, C. Gay à l’Université de Paris. Plusieurs industries sont également partenaires : Nestlé, Total, Teclis une PME française d’instrumentation, et 4Gene, une PME allemande élaborant des produits moussants.

Suite à des problèmes techniques, l’expérience a été redéfinie en 2007. Elle n’est plus centrée sur les propriétés mécaniques de la mousse, mais sur son mûrissement (grossissement des bulles suite au transfert de gaz des petites bulles vers les grosses dans lesquelles la pression est moindre). Elle a à présent le nom de FOAM-C (C pour coarsening, mûrissement en anglais). Lors du mûrissement, des réarrangements locaux de bulles se produisent, similaires à ceux créés lorsqu’on cisaille la mousse et qui la font s’écouler : le projet ne perd donc pas de vue les propriétés mécaniques.

Comment ça marche ?

Le dispositif de mesure a été mis au point par Airbus Defence and Space avec les équipes françaises qui ont reçu pour ce faire le soutien financier du CNES (L’ESA ne finance pas la recherche au sol des équipes universitaires). Le dispositif comprend un ensemble de 20 cellules équipées chacune d’un piston magnétique pour produire la mousse, une caméra pour mesurer la taille des bulles R, un laser avec des dispositifs de mesure de l’intensité transmise et réfléchie pour avoir une détermination indépendante de R, un corrélateur et un système multispeckle, pour détecter et localiser les réarrangements.  Le tout est miniaturisé et contenu dans une enceinte de 40x28x27cm.

Déjà des premiers résultats

Après un lancement de l’expérience en mars dernier, beaucoup de phénomènes inattendus ont été observés. Par exemple, la théorie prédit que le mûrissement ralentit considérablement à la transition de blocage, mais nous observons ce ralentissement bien avant (Φ ~ 80%) avec certains produits moussants. Les réarrangements se font par cascades, alors qu’ils sont isolés dans les mousses sèches. Nous analysons à présent les 2,6 térabytes de données enregistrées dans l’ISS et retransmises sur Terre.

Une prolongation avec de nouveaux liquides moussants est prévue en 2021. La moisson considérable de résultats va nous conduire à une meilleure connaissance des propriétés des mousses humides qui sera très utile pour les nombreuses applications des mousses et pour la compréhension de la physique des transitions de blocage.

  1. 1. Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Saclay.
  2. 2. Institut des Nanosciences de Paris, Sorbonne Université.
  3. 3. Laboratoire Navier, Université Gustave Eiffel

 

Pour en savoir plus :

Cantat, I., S. Cohen-Addad, F.Elias, F.Graner, R.Höhler, O.Pitois, F.Rouyer, A.Saint Jalmes, Les Mousses : Structure et Dynamique, Belin 2010 https://www.belin-editeur.com/les-mousses#anchor1

Langevin D. Emulsions, Microemulsions and Foams, Springer, 2020, DOI 10.1007/978-3-030-55681-5

 

Lire L’instant Recherche n°19 – Ces universités qui embarquent sur la Station Spatiale Internationale

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