为了在太空中开展扩展任务，美国国家航空航天局 (NASA) 借鉴了核工程行业的经验：它试图了解沸腾的工作原理。

为长期任务做规划，NASA 正在研究包装尽可能少的低温燃料以实现高效升空的方法。一种可能的解决方案是使用位于近地轨道的燃料库在太空中为火箭加油。这样，航天器就可以携带最轻的燃料负载——足以到达近地轨道，根据需要加油并完成任务。但是在太空中加油需要对低温燃料有透彻的了解。

“我们 [需要了解] 低温沸腾在微重力条件下的表现如何 [在太空中遇到]，”核科学与工程系 (NSE) 六年级博士生弗洛里安·查瓦格纳特 (Florian Chavagnat) 说。毕竟，了解致冷剂如何在太空中沸腾对于 NASA 的燃料管理策略至关重要。绝大多数关于沸腾的研究评估在高温下沸腾的流体，这不一定适用于制冷剂。在 Matteo Bucci 和 Emilio Baglietto 的建议下，Chavagnat 正在从事由 NASA 资助的关于低温剂以及太空中缺乏浮力影响沸腾的方式的研究。

童年在修修补补中度过

对工程和物理现象的深刻理解正是 Chavagnat 在巴黎郊区 Boussy-Saint-Antoine 的成长过程中培养出来的，他的父母都在国有铁路公司 SNCF 工作。Chavagnat 记得曾与他的工程师父亲讨论火车和发动机的工作原理，并制作了各种轻木模型。他令人难忘的项目之一是由电动牙刷的马达驱动的帆船。

十几岁时，Chavagnat 收到了一台金属车床作为礼物。他的修修补补成了一种痴迷。压缩空气发动机是最受欢迎的项目。Chavagnat 笑着回忆说，很快，他父母用来园艺的小棚屋变成了工厂。

毕生对数学和物理学的热爱推动了他进入位于诺曼底鲁昂的国家应用科学研究所，在那里，Chavagnat 研究了能量学和推进力，这是一个为期五年的工程项目的一部分。在他的最后一年，Chavagnat 从 INSTN Paris-Saclay 学习了原子工程，这是受人尊敬的法国替代能源和原子能委员会 (CEA) 的一部分。

在 CEA 学习的最后一年需要为期六个月的实习，传统上这为工作设定了课程。Chavagnat 决定抓住机会申请麻省理工学院 NSE 实习，因为他知道自己未来的课程可能不确定。“我一生中并没有冒太多风险，但这次风险很大，”Chavagnat 说。赌赢了：Chavagnat 赢得了Charles Forsberg的实习机会 ，这为他的博士生录取铺平了道路。“我选择麻省理工学院是因为它一直是我的梦想学校，”Chavagnat 说。他也喜欢挑战自己以提高英语口语能力的想法。

热爱物理和传热

Chavagnat 热爱物理学——“如果我能研究物理学中的任何问题，我会很高兴”，他说——这促使他致力于传热，更具体地说是沸腾传热。他早期的博士研究主要集中在核反应堆中的瞬态沸腾，其中一部分 发表 在 《国际传热与传质杂志》上。

Chavagnat 的研究针对一种称为材料测试反应堆 (MTR) 的特定核反应堆。核科学家使用 MTR 了解工厂运营中使用的材料在长期使用下的行为。以高功率运行的密集核燃料使用非常强的中子通量模拟长期效应。

为防止故障，操作员通过高速流动非常冷的水来限制反应器温度。当反应堆热功率不受控制地增加时，自来水开始沸腾。沸腾通过改变中子慢化和从燃料中提取热量来防止熔化。“[不幸的是]，只有在燃料包壳达到一定的热通量后，效率才会完全下降，”Chavagnat 说。一旦达到临界热通量，水蒸气就开始覆盖并隔离燃料元件，导致包壳温度迅速升高并可能烧毁。

关键是要弄清楚常规 MTR 条件下最大沸腾热通量的行为——冷水、高流速和燃料元件之间的窄间距。

低温沸腾研究

随着 Chavagnat 为 NASA 追寻这个问题，沸腾继续占据中心舞台。致冷剂在非常低的温度下沸腾，因此如何防止常规太空操作造成燃料损失的问题是一个需要回答的重要问题。

Chavagnat 正在研究沸腾在减少或没有浮力的情况下会如何表现，这是低温火箭燃料在太空中会遇到的条件。

为了在地球上重现类似太空的条件，可以在不进入太空的情况下修改浮力。Chavagnat 正在操纵沸腾表面的倾斜度——将其倒置就是一个例子——这样浮力就不会像通常那样发挥作用：帮助气泡从表面脱离。他还在抛物线飞行中进行沸腾实验以模拟微重力，类似于在国际空间站上的经历。

Chavagnat 设计和制造的设备可以以最少的改动执行这两种方法。“我们通过使用两台高速摄像机对其进行成像，观察到表面上的氮气沸腾，”他说。该实验获准登上由运营失重飞行的公司 Zero-G 运营的抛物线飞行。该团队在 2022 年成功完成了四次抛物线飞行。

Chavagnat 说：“在飞机上进行实验并在微重力下进行操作是一种令人难以置信的体验，但也具有挑战性，了解实验的细节是必须的，但其他技能也非常有用——尤其是团队合作，能够应对高压力水平，并能够在晕车时工作。” 另一个挑战是大多数问题一旦登机就无法解决，因为飞机飞行员几乎背靠背地执行抛物线（每次持续 17 秒）。

在麻省理工学院的整个研究过程中，Chavagnat 一直着迷于像沸腾这样的简单现象到底有多复杂。“在你的童年，你对沸腾的样子有一定的了解，你可以用肉眼看到相对缓慢的气泡，”他说，“但直到你亲眼看到它，你才会意识到其中的复杂性。”

在他不常有的空闲时间，Chavagnat 与 NSE 的 Atom Smashers 球队一起踢足球。该小组每学期只开会五次，所以这是一个低调的承诺，大部分时间都在实验室度过的 Chavagnat 说。“我主要在麻省理工学院做实验；事实证明，我 15 岁时在棚子里学到的技能在这里非常有用，”他笑着说。