Un tamis quantique flexible filtre le carburant du vaisseau spatial Enterprise.
Développement d'un nouveau mécanisme de séparation des isotopes de l'hydrogène
Le deutérium, le frère lourd de l'hydrogène, est considéré comme un matériau prometteur pour l'avenir - en raison de son large éventail d'applications : dans la science, pour la production d'énergie ou dans la production de produits pharmaceutiques. Cependant, l'extraction du deutérium de son mélange isotopique naturel était jusqu'à présent complexe et coûteuse. Grâce à un matériau poreux mis au point à la Technische Universität Dresden, cette opération pourrait bientôt être réalisée de manière plus efficace et plus rentable. La nouvelle méthode a été publiée dans la revue scientifique "Science Advances".
Le vaisseau spatial Enterprise a traversé la galaxie en utilisant du deutérium comme carburant. Même s'il s'agit d'une science-fiction des années 1960 et 1970, la recherche sur l'application réelle de l'isotope d'hydrogène pour la production d'énergie se poursuit aujourd'hui (image symbolique) :
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Seul le deutérium peut ouvrir les pores du DUT-8, tandis que l'hydrogène laisse le cadre fermé. Cette détection hautement sélective conduit à une grande sélectivité de séparation combinée à une forte absorption de deutérium.
Dr. Volodymyr Bon
Le vaisseau spatial Enterprise a traversé la galaxie en utilisant du deutérium comme carburant. Même si cela relève de la science-fiction des années 1960 et 1970, la recherche sur l'application réelle de l'isotope d'hydrogène pour la production d'énergie se poursuit aujourd'hui. Le principal défi est l'extraction de l'isotope. Le deutérium (abréviation chimique D, hydrogène "lourd") est l'un des trois isotopes naturels de l'hydrogène, avec le protium (H, hydrogène "normal") et le tritium (T, hydrogène "super lourd"). Le deutérium et le protium sont tous deux des isotopes stables de l'hydrogène. L'eau ordinaire et l'eau lourde fabriquée à partir de deutérium sont également stables. Le tritium (T) est extrêmement prometteur d'un point de vue technique, mais n'est pas sans poser des problèmes de sécurité en raison de sa radioactivité.
Le deutérium est extrait de l'eau lourde, c'est-à-dire de l'eau contenant du deutérium, qui est contenu à 0,15 pour mille dans les ressources naturelles en eau de notre terre. Pour ce faire, l'eau lourde est d'abord isolée à l'aide de procédés chimiques et physiques, puis du gaz deutérium est produit. Ces processus sont si complexes et si gourmands en énergie qu'un gramme de deutérium est plus cher qu'un gramme d'or, même si sa présence naturelle est plusieurs fois supérieure.
Mais la demande de deutérium pur continue de croître, car ses propriétés physiques uniques signifient que ses applications potentielles sont loin d'être épuisées : lorsqu'il est utilisé dans des médicaments, le deutérium a déjà démontré qu'il avait un effet de prolongation de la vie, bien qu'initialement seulement pour le principe actif lui-même. Les médicaments contenant du deutérium peuvent être dosés plus faiblement, de sorte que leurs effets secondaires sont également réduits. Dans les réacteurs nucléaires, le deutérium joue un rôle important en tant que modérateur. En outre, il est prévu d'utiliser un mélange de deutérium et de tritium ou de 3Hélium comme combustible dans les futurs réacteurs à fusion. D'autres domaines d'application sont la médecine, les sciences de la vie, l'analyse et les nouveaux écrans de télévision.
Dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire, les groupes du professeur Stefan Kaskel et du professeur Thomas Heine de la TU Dresden, ainsi que le Dr Michael Hirscher du MPI pour les systèmes intelligents de Stuttgart, ont mis au point un nouveau mécanisme de séparation des isotopes de l'hydrogène basé sur le cadre métallo-organique flexible "DUT-8" développé à la TU Dresden. "Notre matériau permet de séparer le deutérium gazeux de l'hydrogène. Le cadre métallo-organique unique DUT-8 est très flexible et peut adapter dynamiquement la taille de ses pores. Mais cette réponse structurelle s'est avérée très sélective : Seul le deutérium peut ouvrir les pores, tandis que l'hydrogène laisse le cadre fermé. Cette reconnaissance hautement sélective conduit à une grande sélectivité de séparation combinée à une grande absorption de deutérium", explique Stefan Kaskel, professeur de chimie inorganique à l'Université technique de Dresde. Avec son groupe, il est spécialisé dans les nouveaux matériaux fonctionnels nanostructurés et poreux pour le stockage et la conversion de l'énergie et a déjà développé plusieurs matériaux brevetés.
Son matériau DUT-8, publié en 2012, ne présentait initialement aucune absorption d'hydrogène, ni à haute pression ni à très basse température. "Lors de nos mesures au MPI de Stuttgart, nous avons observé pour la première fois une ouverture de la structure du DUT-8 sous atmosphère de deutérium à très basse température. Par la suite, nous avons également réussi à séparer expérimentalement des mélanges d'isotopes d'hydrogène, le matériau agissant comme une sorte de "tamis quantique" flexible et donc extrêmement efficace", explique le Dr Michael Hirscher, qui étudie depuis plusieurs années des mécanismes de séparation efficaces pour les isotopes d'hydrogène au MPI pour les systèmes intelligents.
Les calculs de premiers principes, associés à la thermodynamique statistique, permettent de prévoir l'ouverture sélective des isotopes et de la justifier par des effets quantiques nucléaires prononcés. Cependant, il existe d'autres isotopologues (molécules des mêmes éléments mais de différents isotopes) de l'hydrogène, à savoir HD, HT, DT et T2, qui doivent être pris en compte dans la séparation, et ceux contenant T sont radioactifs. Dans le groupe de Thomas Heine, titulaire de la chaire de chimie théorique à la TU Dresden, le comportement de ces isotopologues a été simulé. "Dans ce travail commun, nous avons réussi à remplacer les expériences problématiques liées à la sécurité avec des matériaux radioactifs par des simulations informatiques validées, et donc à faire des prédictions pour les applications potentielles de cet effet d'ouverture du DUT-8 dépendant de l'isotope", explique le professeur Heine. Ses simulations montrent que le DUT-8 ne s'ouvre que pour les isotopologues sans isotopes H légers. Pour le HD, ces prédictions ont déjà été confirmées expérimentalement par le groupe du Dr Hirscher.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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