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Moteurs à hydrogène : un nouvel alliage pour le stockage et la détection

ActualitéClassé sous :physique , alliage , combustible

Un nouvel alliage capable de stocker d'impressionnantes quantités d'hydrogène et d'être isolant ou conducteur selon qu'il ait absorbé ou non de l'hydrogène : cette innovation, que l'on doit à une équipe suisse, pourrait participer à l'entrée dans notre quotidien de ce combustible écologique et durable que pourrait être l'hydrogène.

Pour mieux comprendre cette Actu

L'hydrogène (H2) est, potentiellement, un combustible écologique et durable. « Potentiellement », car cela nécessite de stocker l' hydrogène de manière conséquente, stable et sûre. C'est vers cet objectif que se dirigent de nombreux chercheurs. Et l'une des pistes sérieuses est l'étude des hydrures métalliques : des alliages capables d'absorber et de stocker l'hydrogène, un peu comme une éponge absorbe l'eau...

Ces matériaux métalliques absorbent l'hydrogène gazeux à une température et une pression données, puis le restituent si la température augmente légèrement ou si la pression diminue sensiblement.

Cependant, la plupart des hydrures découverts jusqu'à aujourd'hui fonctionnent dans des conditions de température et de pression peu propices à leur exploitation : ils sont très lourds, généralement très chers et il est souvent nécessaire de les amener à une température de plusieurs centaines de degrés pour qu'ils «avalent» ou relâchent le précieux gaz...

L'expérience :

L'équipe de Klaus Yvon, professeur au Laboratoire de Cristallographie de l'Université de Genève, a choisi d'étudier un nouvel alliage métallique composé de lanthane, de magnésium et de nickel : le LaMg2Ni.

Les résultats :

  • Premier résultat :
les chercheurs ont constaté que cet alliage est capable d'absorber de l'hydrogène à température et pression ambiantes !

Il se révèle donc un bon candidat pour la fabrication de réservoir d'hydrogène dans des piles à combustible de petite taille.

  • Deuxième résultat :
le LaMg2Ni est un métal électriquement conducteur « en temps normal », mais il devient isolant lorsqu'il est gorgé d'hydrogène ! Il est donc aussi un bon candidat pour la conception de détecteurs d'hydrogène.

L'alliage métallique LaMg2Ni (à gauche) est un conducteur électrique. En présence d'hydrogène (les « haltères » blancs), il forme l'hydrure métallique LaMg2NiH7 (à droite) qui lui est un isolant. Cette propriété pourrait en faire un détecteur d'hydrogène efficace et bon marché. © Fonds National Suisse pour la Recherche Scientifique

A quoi sert un détecteur d'hydrogène ?

« L'utilisation de l'hydrogène comme combustible suscite une certaine peur, estime Klaus Yvon, car les gens craignent qu'en cas de fuite il explose, un peu à l'image du Zeppelin Hindenburg en 1937 à Lakehurst aux Etats-Unis ou la navette Challenger en 1986. Si l'utilisation de l'hydrogène se popularise, il faudra donc disposer de systèmes de sécurité efficaces, capables de repérer la moindre fuite du gaz. Des détecteurs existent (et sont utilisés par de nombreux entreprises et laboratoires de recherche qui utilisent de l'hydrogène quotidiennement), mais ils sont relativement chers. Un détecteur à base de LaMg2NiH7 serait tout aussi fiable et bien meilleur marché.»

  • Et, troisième résultat :
les chercheurs ont compris le mécanisme exact du phénomène d'absorption d'hydrogène gazeux pour ce type d'hydrures et établi que la concentration d'hydrogène absorbé dépend strictement du nombre d'électrons de valence des constituants de l'alliage.

Ce mécanisme était resté méconnu jusqu'à présent car l'apport d'hydrogène perturbe et désordonne la structure cristallographique des alliages conventionnels, ce qui empêche toute modélisation ou calcul théorique... mais le LaMg2Ni a une structure cristalline ordonnée, que ce soit avant ou après l'absorption du gaz.

Ceci a permis de découvrir que les atomes d'hydrogène s'immiscent dans la matrice métallique du LaMg2Ni par des interstices naturels de la structure cristalline et capturent dès qu'ils le peuvent un électron libre circulant dans l'alliage. Ils s'en servent pour se lier avec les atomes de nickel et composer ainsi des molécules isolantes de NiH4.

Transition métal-isolant dans une éponge à hydrogène © Université de Genève

Et après ?

Malgré sa grande capacité de stockage, le LaMg2Ni ne sera probablement jamais utilisé comme réservoir de carburant dans les voitures.
Comme la plupart des autres hydrures métalliques mis au point à ce jour :

- il est trop cher (le lanthane et le nickel sont onéreux),
- il est trop lourd ; il stocke, au maximum, 2% de sa masse en hydrogène alors qu'il en faudrait au moins 6% pour intéresser l'industrie automobile (6% est un taux fixé par le Département Américain de l'Energie pour assurer une autonomie de 500 kilomètres).

Il devrait cependant avoir un bel avenir dans la conception de détecteurs et dans des batteries pour les téléphones ou les ordinateurs portables, par exemple.

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