Polytétrazènes: un carburant pour fusée plus écologique ?

Publié par Isabelle le 20/01/2021 à 13:00
Source: CNRS INC
Quand il s'agit d'envoyer une fusée dans l'espace, chaque gramme compte et les combustibles utilisés, appelés ergols, se doivent de fournir la meilleure propulsion possible. Pour l'étape du lancement, on utilise des boosters solides qui contiennent un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) mélangé à un liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....) polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) qui, lui, ne réagit pas.

Des scientifiques du LHCEP (CNRS/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1/CNES/Arianegroup) et du C2P2 (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/CPE Lyon) ont récemment réussi à préparer des nouveaux liants eux-mêmes fortement énergétiques à base de polymères azotés qui participent à la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...). Ces polymères ouvrent de nombreuses perspectives en aérospatiale (L'aérospatiale (nom commun féminin singulier) est une discipline scientifique qui...), mais également dans la gestion de fin de vie (La vie est le nom donné :) des plastiques car ils peuvent être entièrement dépolymérisés dans un solvant. Ces résultats sont à retrouver dans la revue Angewandte Chemie International Edition.


Polytétrazènes: vers de nouveaux liants pour la propulsion solide © CNES/ESA/Arianespace/Optique vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...) CSG, 2019

La plupart des engins spatiaux sont propulsés par des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) à réaction alimentés par des carburants, appelés ergols, qui peuvent être liquides ou solides. Pour la fusée (Fusée peut faire référence à :) Ariane 5 (Ariane 5 est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA), développé pour placer...), par exemple, un ergol (Un ergol, dans le domaine de l'astronautique, est une substance homogène employée seule ou en...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) très réactif à base de di-hydrogène et di-oxygène est utilisé, mais qui n'apporte que 10% de la propulsion nécessaire au décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...). C'est un booster (Le nom de booster (ou propulseur d'appoint) est donné au moteur-fusée qui est attaché aux...) solide à combustion immédiate qui génère la majeure partie de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) pour cette étape. Ce booster est composé d'un couple oxydant/réducteur, qui réagit pour fournir l'énergie de combustion, dispersé dans un liant polymère chimiquement inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.).

La quête de mélanges toujours plus énergétiques pour ces boosters solides est un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) très actif de l'aérospatiale et de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) pyrotechnique. Si l'amélioration du couple oxydant/réducteur est la première solution visée, elle est intrinsèquement limitée par le surcoût et les dangers liés à la préparation, la manipulation et le stockage de produits trop réactifs. En parallèle, la possibilité de remplacer le liant polymère inerte par un polymère qui contiendrait lui-même des fonctions énergétiques est également étudiée.

Si plusieurs polymères énergétiques ont déjà été proposés, peu contiennent ces fonctions le long du squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la...) lui-même de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de polymère. Dans une récente étude, des chercheurs du Laboratoire hydrazines et composés énergétiques polyazotés (LHCEP - CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/CNES/Arianegroup) et du laboratoire Chimie, catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...), polymères & procédés (C2P2 - CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/CPE Lyon) ont préparé une nouvelle famille de polymères énergétiques de type polyuréthane contenant des répétitions de 4 atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) consécutifs le long du squelette principal à partir de monomères comportant l'unité trans-2-tétrazène. Ces polytétrazènes, synthétisés par polycondensation, présentent d'excellentes propriétés thermiques. Leur squelette polyuréthane devrait en faire des polymères très polyvalents, notamment pour la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) d'ergols solides. Le fait que les fonctions tétrazènes soient réparties le long du squelette de la chaîne, et non dans des ramifications latérales, permet qui plus est une dépolymérisation complète des chaînes à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante dans un solvant comme l'hexafluoro isopropanol (L'isopropanol, ou alcool isopropylique est le nom commun pour le propan-2-ol, composé chimique...) (HFIP).

Le recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) des compositions pyrotechniques obsolètes à base de ces nouveaux liants pourrait donc être envisagé. Au-delà de leur application directe à l'aérospatiale, ces résultats, choisis comme hot paper de la revue Angewandte Chemie International Edition, ouvrent également des perspectives pour le recyclage ou le traitement des plastiques qui contiendraient ces unités tétrazène.

Référence:
Energetic Nitrogen-Rich Polymers with a Tetrazene-Based Backbone John Eymann, Lionel Joucla,* Guy Jacob, Jean Raynaud,* Chaza Darwich,* et Emmanuel Lacôte* Angewandte Chemie International Edition, 2 octobre 2020.
https://doi.org/10.1002/anie.202008562
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