La plupart des gens prennent l’eau bouillante pour acquis. Pour le professeur agrégé Matteo Bucci, découvrir la physique derrière l’ébullition a été un voyage d’une décennie rempli de défis inattendus et de nouvelles perspectives.
Ce phénomène apparemment simple est extrêmement difficile à étudier dans des systèmes complexes comme les réacteurs nucléaires, et pourtant il se situe au cœur d’un large éventail de processus industriels importants. Percer ses secrets pourrait ainsi permettre des progrès dans la production efficace d’énergie, le refroidissement des appareils électroniques, le dessalement de l’eau, les diagnostics médicaux, etc.
« L’ébullition est importante pour des applications bien au-delà du nucléaire », explique Bucci, qui a obtenu son poste au MIT en juillet. « L’ébullition est utilisée dans 80 % des centrales électriques qui produisent de l’électricité. Mes recherches ont des implications pour la propulsion spatiale, le stockage d’énergie, l’électronique et la tâche de plus en plus importante du refroidissement des ordinateurs.
Le laboratoire de Bucci a développé de nouvelles techniques expérimentales pour faire la lumière sur un large éventail de phénomènes d’ébullition et de transfert de chaleur qui limitent les projets énergétiques depuis des décennies. Le principal d’entre eux est un problème causé par la formation de bulles si rapidement qu’elles créent une bande de vapeur sur une surface qui empêche un transfert de chaleur ultérieur. En 2023, Bucci et ses collaborateurs ont développé un principe unificateur régissant le problème, connu sous le nom de crise d’ébullition, qui pourrait permettre des réacteurs nucléaires plus efficaces et éviter des pannes catastrophiques.
Pour Bucci, chaque progrès apporte de nouvelles possibilités et de nouvelles questions auxquelles il faut répondre.
« Quel est le meilleur papier ? » demande Bucci. « Le meilleur article est le suivant. Je pense qu’Alfred Hitchcock avait l’habitude de dire que la qualité de votre dernier film n’a pas d’importance. Si votre prochain est pauvre, les gens ne s’en souviendront pas. Je dis toujours à mes étudiants que notre prochain article devrait toujours être meilleur que le précédent. C’est un processus d’amélioration continue.
De l’ingénierie aux bulles
Le village italien où Bucci a grandi comptait environ 1 000 habitants durant son enfance. Il a acquis des compétences en mécanique en travaillant dans l’atelier d’usinage de son père et en démontant et remontant des appareils comme des machines à laver et des climatiseurs pour voir ce qu’il y avait à l’intérieur. Il a également acquis une passion pour le cyclisme, participant à des compétitions jusqu’à ce qu’il fréquente l’Université de Pise pour des études de premier cycle et des cycles supérieurs.
À l’université, Bucci était fasciné par la matière et les origines de la vie, mais il aimait aussi construire des choses. Alors, quand est venu le temps de choisir entre la physique et l’ingénierie, il a décidé que l’ingénierie nucléaire était un bon compromis.
«J’ai une passion pour la construction et pour comprendre comment les choses sont fabriquées», déclare Bucci. « L’ingénierie nucléaire était un choix très improbable mais évident. C’était peu probable car en Italie, le nucléaire était déjà hors du paysage énergétique et nous étions donc très peu nombreux. En même temps, il y avait une combinaison de défis intellectuels et pratiques, et c’est ce que j’aime.
Pour son doctorat, Bucci s’est rendu en France, où il a rencontré sa femme, et a ensuite travaillé dans un laboratoire national français. Un jour, son chef de service lui a demandé de travailler sur un problème de sécurité des réacteurs nucléaires appelé ébullition transitoire. Pour le résoudre, il souhaitait utiliser une méthode de mesure mise au point par le professeur Jacopo Buongiorno du MIT. Il a donc reçu une subvention pour devenir scientifique invité au MIT en 2013. Depuis, il étudie l’ébullition au MIT.
Aujourd’hui, le laboratoire de Bucci développe de nouvelles techniques de diagnostic pour étudier l’ébullition et le transfert de chaleur, ainsi que de nouveaux matériaux et revêtements susceptibles de rendre le transfert de chaleur plus efficace. Ces travaux ont donné aux chercheurs une vision sans précédent des conditions à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.
« Les diagnostics que nous avons développés peuvent collecter l’équivalent de 20 années de travail expérimental en une seule journée », explique Bucci.
Ces données, à leur tour, ont conduit Bucci à un modèle remarquablement simple décrivant la crise bouillonnante.
« L’efficacité du processus d’ébullition à la surface de la gaine du réacteur nucléaire détermine l’efficacité et la sécurité du réacteur », explique Bucci. « C’est comme une voiture : on veut accélérer, mais il y a une limite supérieure. Pour un réacteur nucléaire, cette limite supérieure est dictée par le transfert de chaleur par ébullition. Nous souhaitons donc comprendre quelle est cette limite supérieure et comment nous pouvons la surmonter pour améliorer les performances du réacteur.
Un autre domaine de recherche particulièrement important pour Bucci est le refroidissement par immersion en deux phases, un processus dans lequel les pièces chaudes du serveur portent le liquide à ébullition, puis la vapeur résultante se condense sur un échangeur de chaleur au-dessus pour créer un cycle de refroidissement constant et passif.
« Il maintient les puces froides avec un minimum de gaspillage d’énergie, réduisant ainsi considérablement la consommation électrique et les émissions de dioxyde de carbone des centres de données », explique Bucci. « Les centres de données émettent autant de CO2 que l’ensemble de l’industrie aéronautique. D’ici 2040, elles représenteront plus de 10 pour cent des émissions.
Soutenir les étudiants
Bucci affirme que travailler avec des étudiants est la partie la plus gratifiante de son travail. «Ils ont une telle passion et une telle compétence. C’est motivant de travailler avec des gens qui ont la même passion que soi.
«Mes étudiants n’ont pas peur d’explorer de nouvelles idées», ajoute Bucci. « Ils ne s’arrêtent presque jamais devant un obstacle, parfois au point qu’il faut les ralentir et les remettre sur la bonne voie. »
En dirigeant le Red Lab du Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires, Bucci essaie de donner aux étudiants indépendance et soutien.
« Nous ne formons pas des étudiants, nous formons de futurs chercheurs », explique Bucci. « Je pense que la partie la plus importante de notre travail consiste non seulement à fournir les outils, mais aussi à donner la confiance et l’attitude proactive nécessaires pour résoudre les problèmes. Cela peut être des problèmes commerciaux, des problèmes avec les expériences, des problèmes avec vos collègues de laboratoire.
Certaines des expériences les plus uniques réalisées par les étudiants de Bucci exigent qu’ils prennent des mesures en chute libre dans un avion pour atteindre l’apesanteur.
« La recherche spatiale est le grand fantasme de tous les enfants », explique Bucci, qui rejoint les élèves dans les expériences environ deux fois par an. « C’est une recherche très amusante et inspirante pour les étudiants. Zero g vous donne une nouvelle perspective sur la vie.
Appliquer l’IA
Bucci est également enthousiaste à l’idée d’intégrer l’intelligence artificielle dans son domaine. En 2023, il a été co-récipiendaire d’un projet d’initiative de recherche multi-universitaire (MURI) en sciences thermiques dédié uniquement à l’apprentissage automatique. En clin d’œil aux promesses de l’IA dans son domaine, Bucci a également récemment fondé une revue intitulée Fluides Thermiques AI pour présenter les avancées de la recherche basées sur l’IA.
« Notre communauté n’a pas de foyer pour les personnes souhaitant développer des techniques d’apprentissage automatique », déclare Bucci. « Nous voulions créer un moyen permettant aux spécialistes de l’informatique et des sciences thermiques de travailler ensemble pour progresser. Je pense que nous devons vraiment faire appel à des informaticiens dans notre communauté pour accélérer ce processus.
Bucci pense également que l’IA peut être utilisée pour traiter d’énormes quantités de données recueillies à l’aide des nouvelles techniques expérimentales qu’il a développées, ainsi que pour modéliser des phénomènes que les chercheurs ne peuvent pas encore étudier.
« Il est possible que l’IA nous donne l’opportunité de comprendre des choses qui ne peuvent pas être observées, ou du moins nous guide dans l’obscurité alors que nous essayons de trouver les causes profondes de nombreux problèmes », déclare Bucci.
