Les particules de métal: carburant propre de l'avenir ?
Publié par Redbran le 11/12/2015 à 12:00
Source: McGill
Illustrations: Alternative Fuels Laboratory/Université McGill
Une étude dirigée par l'Université McGill suggère que les poudres métalliques pourraient remplacer les combustibles fossiles

Imaginez un avenir où votre voiture est alimentée par de la poudre de fer plutôt que par l'essence.

Flammes stabilisées produites par la combustion de différentes poudres métalliques au contact de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...), en comparaison d'une flamme méthane/air.

Les poudres métalliques, produites en exploitant des sources d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas utilisable...) propres, pourraient constituer une solution de rechange aux combustibles fossiles plus viable à long terme que d'autres substituts dont il a souvent été question, comme l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), les biocarburants ou les batteries, selon une étude parue le 15 décembre 2015 dans la revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la...) Applied Energy.

"Les technologies de production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la...) propre, reposant principalement sur l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le...) ou éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage),...), ont le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) dans les voiles (Les Voiles sont l’une des 88 constellations du ciel, visible essentiellement de l’hémisphère sud. Incluse à l’origine par...). Or, ce type d'électricité est impossible à utiliser dans de nombreux domaines où le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le pétrole fournit la...) et le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) règnent encore, comme le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des...) et le commerce mondial d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.)", souligne Jeffrey Bergthorson, professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) McGill et auteur principal de cette nouvelle étude.

"Les biocarburants peuvent faire partie de la solution, mais ils ne pourront pas satisfaire à la demande. L'hydrogène nécessite des réservoirs massifs, et c'est sans compter sa nature explosive. Quant aux batteries, elles sont trop encombrantes et n'accumulent pas assez d'énergie pour bon nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'usages", ajoute le professeur de génie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une force,...) et directeur adjoint de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Trottier de durabilité en génie et en design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels,...) de l'Université McGill. "L'utilisation de poudres métalliques comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) recyclable emmagasinant de l'énergie primaire propre pour un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) ultérieur représente une solution de rechange des plus prometteuses."

Un concept novateur

L'article publié dans Applied Energy, cosigné par le professeur Bergthorson, cinq autres chercheurs de l'Université McGill et un scientifique de l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée de la coordination des projets spatiaux de 18...) aux Pays-Bas, jette les bases d'un concept novateur tirant parti de fines particules métalliques ? dont la taille est comparable à celles de la farine ou du sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le...) en poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille...) ? pour alimenter des moteurs à combustion externe.

Contrairement aux moteurs à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme d'études...) des véhicules à essence, les moteurs à combustion externe sont alimentés par une source extérieure de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Ce type de moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...), une version contemporaine de la locomotive à vapeur (Les premières locomotives (au XIXe siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur, ce qui leur a valu le nom de locomotives à vapeur. Ce type de transport est resté largement prépondérant jusqu'après la Seconde Guerre mondiale.) alimentée au charbon qui a contribué à la révolution industrielle, sert couramment à produire de l'énergie à partir de sources nucléaires, de charbon ou de biocarburants au sein des centrales électriques.

L'idée de brûler des poudres métalliques ne date pas d'hier, puisque ces dernières sont utilisées depuis plusieurs siècles pour la fabrication de feux d'artifice, par exemple. Depuis la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...) moitié du 20e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être...), on s'en sert également comme agent propulseur dans les fusées porteuses à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.) solide qui servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à lancer les navettes spatiales. Toutefois, au cours des dernières décennies, peu de travaux ont été réalisés sur les propriétés des flammes découlant de leur combustion. En effet, l'utilisation potentielle des poudres métalliques comme combustible recyclable pour de nombreux usages a généralement été négligée par la communauté scientifique.

Recyclable après combustion

L'idée mise de l'avant par l'équipe de chercheurs de l'Université McGill mise sur une caractéristique importante des poudres métalliques. En effet, lorsqu'elles sont brûlées, ces dernières réagissent avec l'air pour produire un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également...) solide non toxique pouvant être recueilli assez facilement, puis recyclé (contrairement au dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la...) émis dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) par la combustion de pétrole).

Grâce à un brûleur conçu sur mesure, les chercheurs de l'Université McGill ont démontré qu'une flamme peut être stabilisée en un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de fines particules métalliques en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des...) dans l'air. Ces flammes provenant de la combustion de poudres métalliques "ressemblent beaucoup" à celles que l'on produit en brûlant des hydrocarbures, estiment les chercheurs. "On prévoit que les densités d'énergie et de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) qu'afficheront les éventuels moteurs alimentés par des métaux seront semblables à celles des actuels moteurs alimentés par la combustion interne de combustibles fossiles. Par conséquent, cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) sera attrayante pour une société cherchant à réduire son empreinte de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.)."

Selon les chercheurs, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la...) pourrait être le candidat idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est ainsi possible...) pour une telle utilisation. Les industries métallurgique, chimique et électronique commandent déjà la production de millions de tonnes de poudre de fer chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.). De plus, les technologies de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce procédé est...) du fer sont déjà éprouvées, et de nouvelles techniques peuvent pallier les émissions de dioxyde de carbone associées à la fabrication traditionnelle de fer à partir du charbon.

Prochaine étape: la construction d'un prototype

Moteur en développement alimenté par la combustion de poudres métalliques, et étendue de ses usages possibles.
Même si les expériences réalisées en laboratoire, à McGill comme ailleurs, ont démontré que l'utilisation de carburants métalliques dans les moteurs thermiques est théoriquement possible, personne n'a encore mis l'idée en pratique. Par conséquent, la prochaine étape dans la conversion de ces découvertes en technologie exploitable consistera à "fabriquer un prototype de brûleur et à le fixer à un moteur thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en particulier...)", déclare le professeur Bergthorson. "L'élaboration d'un procédé de recyclage des métaux qui n'implique aucune émission de CO2 revêt aussi une grande importance."

Le coauteur de l'article, David Jarvis, responsable de la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) et des nouvelles technologies à l'Agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) européenne, ajoute: "Cette technologie nous intéresse au plus haut point (Graphie) puisqu'elle ouvre la porte à de nouveaux systèmes de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le...) dont nous pourrons tirer profit dans l'espace et sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est...). L'abandon des combustibles fossiles dans l'alimentation des automobiles constitue une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme...) tendance pour l'avenir. Bien qu'elle ne soit pas encore au point ni offerte sur le marché à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il...) actuelle, la combustion de métaux peu coûteux, comme la poudre de fer, représente une solution de rechange avantageuse à l'essence et au diesel. Si nous sommes en mesure de produire, pour la première fois, un moteur alimenté au fer émettant une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) presque nulle de dioxyde de carbone, nous estimons que cette découverte pourrait ouvrir la voie à d'autres innovations et permettre une réduction des coûts à court terme."

L'étude sur la combustion de métaux à l'Université McGill a été financée, au cours des 20 dernières années, par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le ministère de la Défense nationale du Canada, la Defence Threat Reduction Agency des États-Unis, l'Agence spatiale canadienne (L'Agence spatiale canadienne (ASC) ou en anglais Canadian Space Agency (CSA), est le service gouvernemental responsable du programme spatiale canadien....), l'Agence spatiale européenne, Martec Ltée (Halifax, N.-É.) et l'Institut Trottier de durabilité en génie et en design.

Pour plus d'information voir: "Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power", J. M. Bergthorson et coll., Applied Energy, 15 décembre 2015.DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915011071
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