Sortir les poubelles à la NASA

La technologie d’arc plasma pour tester les boucliers thermiques transforme les déchets en produits chimiques réutilisables.

La station spatiale n’a pas de ramassage des ordures sur le trottoir. Il n’a pas non plus de décharge locale ou d’usine de recyclage. Ce qu’il a, c’est l’accès à un incinérateur naturellement efficace – l’atmosphère terrestre

Les astronautes emballent plusieurs milliers de livres de la substance dans une poubelle plutôt inhabituelle – un vaisseau spatial de ravitaillement de cargaison consommable. Lorsqu’il est temps de «sortir» les déchets, le vaisseau spatial cargo rempli se détache de la Station spatiale internationale et tombe dans l’atmosphère terrestre, où le vaisseau spatial et son contenu sont vaporisés.

En effet, un objet solide entrant dans l’atmosphère terrestre à environ 17 500 mi / h subira une friction importante créée par la traînée de compression des gaz atmosphériques. Au fur et à mesure que le vaisseau spatial plonge plus profondément dans l’atmosphère, où l’air est plus dense, une énorme quantité d’énergie est libérée sous forme de chaleur. Cela oblige les molécules de gaz à se dissocier. Un vaisseau spatial sans bouclier thermique, comme ces véhicules cargo consommables, subit le même échauffement, vaporisant le matériau solide

Reproduire ce traitement des déchets à haute température sur Terre est précisément ce que fait InEnTec Inc., avec l’aide de la recherche et de la technologie des jets d’arc de la NASA.

La NASA a appris à recréer les températures extrêmes et les vitesses d’entrée dans l’atmosphère il y a des décennies pour tester les boucliers thermiques. InEnTec, basé à Richland, Washington, s’est penché sur les modifications de la source d’énergie utilisées par la NASA pour générer du plasma à haute température et les a incorporées dans sa conception technologique pour créer son plasma Enhanced Melter (PEM). Le PEM transforme les déchets en gaz synthétique et autres produits

Les incinérateurs qui reposent sur la combustion produisent des polluants toxiques, mais pas la gazéification au plasma. Il chauffe les déchets, appelés matières premières, à des températures extrêmement élevées. Entre 1800 et 27000 degrés Fahrenheit, le matériau carboné se décompose en molécules de base – carbone, hydrogène et oxygène. En contrôlant la combinaison de la chaleur et de la pression, il est possible de réguler l’activité chimique qui conduit à la gazéification.

Les molécules sont séparées puis converties en produits qui peuvent être utilisés pour créer n’importe quoi, du carburéacteur aux vêtements. Tout matériau inorganique restant, appelé laitier, est ajouté au verre surchauffé. La substance non toxique qui en résulte est sans danger pour un certain nombre d’utilisations industrielles, y compris les matériaux de construction. L’ensemble du système ne génère aucune pollution de l’air ni déchets toxiques.

La clé de cette efficacité est la chaleur. «Nous augmentons la température avec le plasma», a expliqué Jeff Surma, PDG d’InEnTec. C’est le même type de plasma que la NASA a créé pour tester les premiers boucliers thermiques utilisés sur les vaisseaux spatiaux

Foudre dans un tube

Les scientifiques et les ingénieurs savaient à quoi ressemblerait une entrée atmosphérique car les lois de la physique permettent de prédire les conditions auxquelles un vaisseau spatial sera confronté. La combinaison des gaz, de la chaleur et de la pression créera du plasma. Le gaz dissocié ou le plasma conduit le courant, générant une chaleur énorme. Ainsi, les matériaux choisis pour un écran thermique pour protéger les astronautes ont dû être testés pour prouver qu’ils fonctionneraient comme prévu.

Mais reproduire les conditions de rentrée sur Terre n’était pas possible avec la technologie des années 1950 lorsque la NASA a commencé à tester les boucliers thermiques d’abord pour les avions hypersoniques, puis pour les vaisseaux spatiaux Mercury, Gemini et Apollo.

«Une torche oxy-acétylène a été utilisée très tôt pour tester les matériaux de bouclier thermique pour les véhicules d’entrée dans l’aérospatiale», a déclaré Joe Hartman, ancien chef de la division des installations thermophysiques du centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, en Californie. Cependant, les torches ne pouvaient atteindre qu’un maximum d’environ 6 290 degrés Fahrenheit, loin des 15 000 à 20 000 degrés nécessaires pour recréer les conditions d’entrée dans l’atmosphère.

Les ingénieurs ont recherché la technologie existante qu’ils pourraient améliorer rapidement au lieu de repartir de zéro. Les réchauffeurs à arc utilisés dans l’industrie chimique étaient idéaux. Maintenant à la retraite de la NASA, Hartman a rappelé que son patron décrivait le réchauffeur à arc plasma résultant comme «un éclair dans un long tube».

Les appareils de chauffage à arc plasma que la NASA utilise maintenant consistent en un tube d’environ trois pouces de diamètre et jusqu’à 16 pieds de long qui contient des centaines de disques de cuivre de trois huit pouces d’épaisseur, chacun refroidi à l’eau. Deux électrodes à chaque extrémité du tube fournissent les points pour chaque extrémité de l’arc électrique à attacher. À l’extrémité du tube se trouve une buse supersonique conçue pour générer des vitesses supersoniques de Mach 3 à Mach 5, créant l’environnement dans la chambre d’essai où les échantillons de matériau de bouclier thermique sont placés pour simuler les conditions d’entrée.

La percée de conception a été l’utilisation des disques de cuivre individuels pour contrôler l’arc à l’intérieur du tube, augmentant considérablement la température. Le refroidissement de l’appareil de chauffage pendant son utilisation empêche les divers composants de fondre. En 1965, la NASA a breveté ce qu’elle a appelé le réchauffeur à arc à segment constriction, qui est depuis devenu une norme aérospatiale, a déclaré Hartman.

En plus de tester avec succès les matériaux de bouclier thermique pour le vaisseau spatial Apollo, les scientifiques de l’agence ont publié plusieurs articles de recherche sur le développement du matériel, la source d’alimentation et les résultats des tests.

InEnTec a utilisé les recherches de la NASA tout en développant son alimentation électrique, en combinaison avec d’autres ressources, pour concevoir sa propre technologie brevetée de gazéification à arc plasma, a déclaré Surma. Cela a éclairé sa conception pour intégrer la technologie plasma avec le processus de gazéification standard.

«Nous avons lu de nombreux articles de revues et brevets qui impliquaient des travaux de la NASA», a-t-il déclaré. «La NASA étant le pionnier de la torche à plasma haute température, nous avons essayé d’en apprendre le plus possible en lisant ces informations, dont certaines ont influencé notre approche.»

Corbeille à l’intérieur, sortie de carburant

Lancé en 1995, InEnTec a installé 13 systèmes PEM dans le monde.

«Au Japon, notre technologie a été certifiée pour la destruction des PCB – biphényles polychlorés», a déclaré Surma, un obstacle de taille, car la réglementation exige «une destruction de six-neuf, soit 99,9999% détruit, et nous avons atteint 10 neuf». Ces produits chimiques toxiques persistants ne se dégradent pas beaucoup avec le temps, de sorte que les techniques pour les éliminer sont essentielles pour le nettoyage des déchets toxiques.

Aemetis Inc., un client InEnTec en Californie, utilisera le système PEM pour créer un remplaçant pour l’essence. Leur système traite la biomasse pour générer de l’éthanol cellulosique. Outre les avantages de la réutilisation des déchets locaux, ce système élimine également les coûts financiers et environnementaux de leur transport et de leur élimination. Et l’utilisation de l’éthanol cellulosique réduit les émissions de gaz à effet de serre d’environ 80% par rapport à l’essence.

L’installation de gazéification d’InEnTec à la décharge de Columbia Ridge dans l’Oregon, qui fonctionne depuis plus de deux ans, a été modernisée et convertira les déchets médicaux et autres en hydrogène pour les véhicules alimentés par des piles à hydrogène. «Ce projet prendra tous les types de déchets industriels et les convertira en hydrogène», a expliqué Surma. «Il s’agit du premier de nombreux projets de production distribuée d’hydrogène pour aider à mettre en œuvre une utilisation plus large des piles à combustible.»

En plus de réduire considérablement la pollution des véhicules – les voitures à hydrogène n’émettent que de la vapeur d’eau – ces systèmes pourraient remplacer l’élimination coûteuse des déchets toxiques par l’incinération et la mise en décharge spécialisée.

Une société chimique, le nouveau client d’InEnTec, travaille au recyclage des déchets plastiques. La matière première en plastique est convertie en gaz synthétique et en matériaux intermédiaires qui pourraient être utilisés pour créer de nouveaux plastiques.

Hartman est heureux de voir toutes les façons dont la technologie de l’arc plasma est utilisée à la suite du travail effectué par la NASA il y a des décennies. Le secteur privé et l’exploration spatiale continuent de bénéficier des exigences uniques des voyages dans l’espace.

«C’est une technologie très ancienne qui a été développée au point où elle crée encore des recherches de pointe», a-t-il déclaré. «C’est aussi un bon moyen de se débarrasser des déchets dangereux. Le faire passer à travers un chauffe-arc est un très bon moyen de le réduire aux éléments de base et de le rendre totalement inoffensif. »

Écrit par Margo Pierce

La source: Spinoff de la NASA