Depuis plus d’une décennie, Futura suit les travaux du physicien, chimiste et cristallographe russe Artem Oganov, dont le nom revient assez souvent à l’avant-garde de la physico-chimie des matériaux haute pression. Rappelons que ses travaux l’ont conduit dans plusieurs centres de recherche de renommée mondiale, de l’Université d’État de Moscou à l’Université de Stony Brook, en passant parCollège universitaire de Londres et l’ETH de Zurich.
De retour en Russie et après avoir été un temps membre du légendaire Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT pour Institut de physique et de technologie de MoscouМосковский Физико-Технический институт, en russe), il poursuit son exploration de la physique de solide dans le cadre du Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech) qui peut être considéré comme l’équivalent russe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis.
Il a également contribué à la création du prix « ВЫЗОВ », sorte de version moderne du prix Nobel, dont une partie est accessible à tous les chercheurs et ingénieurs de la noosphère sur la base de contributions précieuses en science et ingénierie uniquement. .
En effet, Artem Oganov vient de publier avec ses collègues de Skoltech, de l’Institut de cristallographiecristallographie Shubnikov du Académie russe des sciences (RAS) et des centres de recherche en Chine, au Japon et en Italie, un nouvel article dans Matériaux énergétiques avancés.
Il est notamment expliqué que cette équipe internationale a vérifié des prédictions théoriques basées sur l’algorithme appelé Uspex (Prédicteur de structure universelle : xtallographie évolutiveen russe uspekh signifie « succès »). Initialement développé par Artem Oganov, Uspex est utilisé par plus de 7 000 chercheurs à travers le monde car il permet de prédire et d’explorer avec succès la structure cristalline qu’adopteront les atomes formant un matériau d’une composition chimique initiale donnée dans des conditions de pression et d’énergie arbitraires. température, en particulier conditions physiques difficiles à atteindre en laboratoire, telles que celles des hautes pressions à l’intérieur planètes géantesplanètes géantes de glace Système solaireSystème solaire comme Uranus et Neptune.
La saga de la découverte de l’hydrogène et de ses applications. © CEA Recherche
Le stockage de l’hydrogène, clé de la décarbonation des transports et de l’industrie
Mais cette fois, il s’agit d’une avancée dans les connaissances et la technologie très terrestre puisque des chercheurs annoncent avoir découvert un matériau de stockage chimique duhydrogènehydrogène capable d’« absorber » quatre fois plus de cette quantité gazgaz difficile à contenir que les meilleurs prétendants actuels.
Rappelons qu’aucune étude sérieuse ne suggère que nous pourrons nous passer du nucléaire dans les décennies à venir, bien au contraire. Mais il est tout aussi certain que le énergies renouvelablesénergies renouvelables va également augmenter en puissance et qu’en plus de l’atome, il faudra trouver des moyens aussi efficaces et peu coûteux que possible pour stocker l’énergie électrique produite par intermittence par l’atome. éolienneséoliennes et des panneaux solaires.
L’hydrogène apparaît comme un moyen intéressant de stocker l’énergie électrique mais, visiblement, ce n’est pas aussi simple qu’on pourrait le penser. Nous savons comment produire de l’hydrogène en électrolyseélectrolyse, mais cela signifie qu’il y a un retour pour cette conversion. La question se posera à nouveau avec la reconversion de l’hydrogène en électricité, par exemple avec un Pile à combustiblePile à combustible.
On comprend aisément qu’il faudrait donc, autant que possible, pouvoir utiliser directement l’électricité car, en effet, un facteur d’efficacité devra être appliqué deux fois. Imaginons que ce facteur soit de 0,5 alors finalement, seul un quart de l’énergie initialement produite par l’énergie solaire ou éolienne sera utilisable si elle est stockée.
La question est encore plus problématique si l’on veut faire du stockage à haute densité car il faut alors par exemple comprimer voire liquéfier l’hydrogène, qui est par ailleurs très énergivore.
L’hydrogène est une des clés de la transition énergétique du 21e sièclee siècle. © CEA Recherche
L’idée de stocker l’hydrogène directement sous forme solide dans un matériau qui l’absorbe est donc à considérer. Cela est d’autant plus vrai qu’il faut trouver un moyen de stockage le plus sûr possible : sous forme gazeuse, l’hydrogène peut facilement provoquer des explosions. Idéalement, il faut un matériau le plus absorbant possible, peu coûteux, facile à fabriquer et qui puisse libérer facilement et rapidement l’hydrogène qu’il contient, principalement dans le cas des véhicules, qu’ils soient voituresvoitures, avions ou transports en commun. L’hydrogène devrait donc jouer un rôle majeur dans la future économie à bas prix. émissionsémissions de carbonecarbone.
Parmi les pistes de recherche sur ce sujet, il y a aujourd’hui celle expliquée dans le communiqué de Skoltech accompagnant la publication scientifique d’un autre des principaux auteurs de l’étude, Dmitrii Semenok.
“ Certains matériaux, par exemple alliagesalliages magnésiummagnésium-|61eed8799f4f24cdddb2dea4009ef02c| Et zirconiumzirconium-|fb8d23897e0274106af0c2b557e4ff02| peut stocker de l’hydrogène dans les vides entre les atomes métalliques qui composent la structure cristalline. De tels accumulateurs assurent un stockage relativement dense et sûr et libèrent de l’hydrogène relativement rapidement à la demande s’ils sont chauffés. Mais s’il est possible de modifier les alliages métalliques en fonction des conditions requises pour la capture et la libération de l’hydrogène et du nombre de cycles de charge-décharge qu’ils supportent, il existe une limite relativement stricte à la quantité d’hydrogène qu’il est possible d’introduire dans ces matériaux. : environ deux atomes d’hydrogène pour un atome de métalmétal. »
Les composés que nous avons synthétisés – heptahydride de césiumcésium CSH7 et le nonahydride de rubidiumrubidium RBH9 – contiennent respectivement jusqu’à sept et neuf atomes d’hydrogène par atome métallique. Et nous nous attendons à ce qu’ils soient les premiers matériaux riches en hydrogène stables à pression atmosphériquepression atmosphérique, bien que cette dernière nécessite une confirmation. Quoi qu’il en soit, la proportion d’atomes d’hydrogène dans ces composés est la plus élevée parmi tous les hydrures connus, deux fois plus élevée que dans le méthane CH.4 »
Pour recréer les conditions régnant dans les profondeurs des planètes, des échantillons de matière peuvent être placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants sont ensuite pressés les uns contre les autres pour produire des pressions très élevées. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 1 000°C et plus. Traduction en français en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite, puis sur la noix, puis sur « Sous-titres » et « Traduire automatiquement ». © Sciences Carnegie
Expériences liées à la physique des hautes pressions
Artem Oganov explique également dans le communiqué comment lui et ses collègues ont obtenu ces matériaux prometteurs. ” Nous réagissons en poudreammoniacammoniac-borane riche en hydrogène avec césium ou rubidium. Cela produit des sels appelés amiboranes de césium ou de rubidium. Là chaleurchaleur décompose ces sels en monohydrures de césium ou de rubidium et beaucoup d’hydrogène. Comme l’expérience se déroule dans une cellule entre deux diamantsdiamants exerçant 100 000 fois la pression atmosphérique, l’hydrogène supplémentaire est forcé dans les vides du réseau cristallinréseau cristallinformant de l’heptahydrure de césium et du nonahydrure de rubidium – ce dernier, dans deux variétés distinctes de réseau cristallin. »
Le communiqué de Skoltech conclut en expliquant que « l’équipe prévoit désormais de répéter l’expérience en utilisant des presses hydrauliques à grande échelle à basse pression – environ 10 000 ambiancesambiances – d’obtenir de plus grandes quantités de polyhydrures de césium et de rubidium et vérifier qu’une fois synthétisés, ces composés restent stables même à pression atmosphérique, contrairement aux autres polyhydrures connus à ce jour « .
Saviez-vous ?
Le prix Nobel de physique Percy Williams Bridgman fut l’un des pionniers de la physique des hautes pressions trouvées à grande profondeur, dans le manteau ou au cœur de la Terre, voire au centre de planètes géantes comme Jupiter. Pour ce faire, il a inventé et développé la technique permettant de soumettre des échantillons de matériaux à des pressions supérieures à 100 000 atmosphères à l’aide de cellules à enclume en diamant. Avec cet outil, son élève Francis Birch démontra en 1952 que le manteau terrestre est principalement composé de silicates, et que notre Planète possède également un noyau externe liquide et un noyau interne solide, tous deux constitués de fer.
