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Jun 01, 2024

La science des matériaux peut-elle résoudre les problèmes des avions à hydrogène ?

Une alternative prometteuse au stockage de l’hydrogène à l’état gazeux est le stockage à l’état liquide dans des réservoirs cryogéniques (21,2 K/-251,8°C) à pression ambiante. Crédit : Dudaeva via Shutterstock. La sélection et l'ingénierie de

Une alternative prometteuse au stockage de l’hydrogène à l’état gazeux est le stockage à l’état liquide dans des réservoirs cryogéniques (21,2 K/-251,8°C) à pression ambiante. Crédit : Dudaeva via Shutterstock.

La sélection et l’ingénierie de matériaux avancés spécifiques (AdM) jouent un rôle important dans la conception des avions à hydrogène. Le stockage efficace de l’hydrogène est particulièrement essentiel, car il nécessite que le matériau sélectionné ait soit une forte interaction avec l’hydrogène, soit aucune réaction du tout. Six méthodes de stockage réversible de l'hydrogène avec une densité volumétrique et gravimétrique élevée ont été identifiées, qui s'articulent vaguement autour de trois types de stockage : le stockage de gaz à haute pression, le stockage de liquides cryogéniques et le stockage absorbé, où l'hydrogène est absorbé dans un matériau puis libéré sélectivement. .

Les bouteilles de gaz à haute pression (<20 MPa) constituent actuellement la méthode de stockage d'hydrogène la plus répandue, les aciers inoxydables austénitiques – une forme d'acier inoxydable contenant des quantités importantes de chrome et de nickel – et les alliages d'aluminium étant les plus populaires à ce jour, en raison de leur de très hautes résistances à la traction et des densités relativement faibles, ainsi que leur forte immunité aux effets de l'hydrogène (réaction et diffusion) à température ambiante. Des structures composites légères renforcées de fibres ont également été développées qui, bien que non isotropes (égales dans toutes les directions) en résistance, peuvent être conçues pour résister à des pressions allant jusqu'à 80 MPa, pour une densité volumétrique importante – un facteur clé dans le stockage mobile d'hydrogène. Cependant, un problème crucial avec le stockage de gaz à haute pression est l’opposition entre densité volumétrique et gravimétrique, l’augmentation de la pression augmentant la première mais diminuant la seconde, et vice versa. Si les bouteilles de gaz suffisent jusqu’à présent, de nouvelles conceptions sont nécessaires pour les avions à hydrogène.

L’une de ces alternatives très prometteuses au stockage de l’hydrogène à l’état gazeux est le stockage à l’état liquide dans des réservoirs cryogéniques (21,2 K/-251,8°C) à pression ambiante. Cela présenterait une multitude d'avantages, notamment une sécurité améliorée grâce à des pressions de fonctionnement réduites et une flexibilité améliorée dans la conception des réservoirs, car les réservoirs sous pression ne peuvent généralement être construits que dans des géométries cylindriques. Il existe cependant un problème fondamental avec le stockage de liquides cryogéniques : le coût. Le cycle Joule-Thompson/Linde, la méthode de liquéfaction de l'hydrogène la plus simple, est encore compliqué et donc coûteux. De plus, le stockage à des températures cryogéniques est complexe et des pertes par évaporation peuvent résulter de fuites de chaleur. Dans des conditions optimales (un dewar sphérique à double paroi et isolé sous vide), un réservoir de 100 m³ subirait généralement une perte quotidienne de 0,2 %, bien que celle-ci augmente pour les conceptions de réservoir non optimales (par exemple, les réservoirs non sphériques) probablement nécessaires aux avions.

Bien que moins développé, le stockage par absorption est également possible. Il existe plusieurs propositions, notamment la physisorption (attraction) des molécules d'hydrogène à la surface d'un solide. Les matériaux à grande surface spécifique (c'est-à-dire le rapport surface/poids), tels que le charbon nanostructuré ou activé, et les nanotubes de carbone (CNT), sont des substrats possibles. Les NTC présentent un intérêt particulier en raison de la cavité du tube, qui a une largeur inférieure à quelques diamètres moléculaires, provoquant un chevauchement de champ et une force d'attraction accrue entre le carbone et l'hydrogène. En comparaison, les feuilles de graphène planaires en graphite sont moins attractives mais sont plus faciles à fabriquer.

La physisorption pour le stockage de l'hydrogène présente un potentiel en raison de la faible pression de fonctionnement et du coût des matériaux, ainsi que de la simplicité de sa conception, mais les faibles densités volumétriques et gravimétriques constituent des inconvénients importants. Une autre méthode de stockage de l’hydrogène solide consiste à réagir avec des métaux de transition à des températures élevées pour former des hydrures. L'hydrogène réagit avec la plupart des éléments les plus électropositifs (c'est-à-dire Sc, Ti, Va) et reste dans la structure cristalline métallique, sans changement de pression dans le système. Cela peut entraîner une densité volumétrique d’hydrogène extrêmement élevée, faisant des hydrures métalliques une méthode très efficace pour stocker de grandes quantités d’hydrogène de manière sûre et compacte. La densité gravimétrique actuellement réalisable, d'environ 3 % en masse, constitue cependant un facteur limitant pour les avions, ce qui signifie que le défi de concevoir un système à hydrure métallique léger demeure.