Dans le collimateur des rayons X : de nouveaux matériaux pour la transition énergétique

Pour ce processus, les chercheurs dirigés par le premier auteur Konstantin Glazyrin ont principalement utilisé les lignes de faisceaux P02.2 et P61.2 de la source de rayons X PETRA III de DESY, spécialisées dans la science dans des conditions extrêmes. Ils ont chargé des échantillons de poudre de divers alliages dans une cellule à enclume diamantée (DAC) et les ont exposés à de l'hydrogène sous haute pression, introduit à l'aide d'un chargeur de gaz. Ils ont ensuite utilisé la diffraction des poudres pour observer précisément les interactions. En d'autres termes, M. Glazyrin a utilisé les rayons X à haute brillance de PETRA III pour analyser les plus petites modifications structurelles de l'échantillon de matériau polycristallin, qui ont pu être caractérisées à l'aide des diagrammes de diffraction des faisceaux.

L'équipe a choisi des alliages à haute entropie pour son étude pilote, caractérisant l'alliage dit de Cantor, composé de chrome, de manganèse, de fer, de cobalt et de nickel, ainsi que deux alliages du groupe du platine, qui contiennent notamment de l'iridium, de l'osmium et du ruthénium. Les alliages de Cantor sont considérés comme des matériaux prometteurs pour le stockage de l'hydrogène dans le secteur de l'énergie si les combustibles fossiles tels que le pétrole, le gaz naturel et le charbon doivent être remplacés par l'hydrogène dans les années à venir. Les alliages basés sur les éléments du groupe du platine sont tout aussi importants pour les applications catalytiques, par exemple la production d'hydrogène à partir de la séparation de l'eau.

Les alliages à haute entropie sont des composés constitués d'au moins cinq éléments dont la structure est très diverse - "désordonnée", pour ainsi dire - au niveau atomique. Le terme "entropie" désigne ici le degré de désordre d'un système. Ces dernières années, les spécialistes des matériaux ont de plus en plus reconnu que les alliages métalliques à haute entropie et les céramiques sont, à bien des égards, plus efficaces que les mélanges conventionnels composés de moins d'éléments. Ce n'est qu'avec au moins cinq éléments répartis de manière homogène dans le matériau qu'on peut parler d'alliage à haute entropie. Au niveau atomique, en termes de désordre, ces alliages sont plus complexes que, par exemple, l'acier inoxydable conventionnel qui est un alliage de fer, de carbone et de chrome.

"Dans ces alliages, l'effet de l'entropie commence à jouer un rôle au niveau microscopique", explique Konstantin Glazyrin. "L'environnement local de chaque atome est compliqué par les atomes d'autres types et leur distribution aléatoire dans le matériau. Nos résultats suggèrent que pour les systèmes étudiés, la densité électronique résultante est corrélée aux nanocontraintes induites par le désordre atomique. Cela rend plus difficile la diffusion des atomes d'hydrogène dans le matériau et leur transformation en hydrures, ce qui constitue la première étape de la corrosion". La corrosion par l'hydrogène - qui est très similaire à la rouille des métaux au contact de l'eau et de l'oxygène - rend le matériau moins durable au fil du temps.

M. Glazyrin a donc étudié les performances des alliages de Cantor et du groupe du platine par rapport à l'acier conventionnel et aux alliages de cuivre au béryllium lorsqu'ils entrent en contact intensif et prolongé avec de l'hydrogène. Le cuivre au béryllium est souvent utilisé dans l'industrie de l'hydrogène. Il est chimiquement très résistant et ne produit pas d'étincelles, ce qui est bien sûr un avantage lorsqu'il s'agit d'hydrogène hautement inflammable. "Cependant, les composés de béryllium sont souvent considérés comme toxiques et sont donc difficiles à recycler", souligne M. Glazyrin. Pour cette seule raison, il est préférable d'utiliser des matériaux alternatifs.

Les nouveaux alliages sont non toxiques, faciles à recycler et, lors des essais, ils se sont révélés nettement moins sensibles à la corrosion par l'hydrogène à température ambiante et à pression élevée. "Cet avantage est difficile à quantifier car il dépend fortement des conditions de fonctionnement", admet M. Glazyrin. "Dans cette étude pilote, nous n'avons pas été en mesure d'étudier toutes les conditions possibles. Toutefois, l'étude pourrait inciter d'autres groupes à effectuer des mesures plus approfondies et plus spécialisées. Dans le vaste domaine de l'économie de l'hydrogène, l'étude montre que les composés à haute entropie ont un grand potentiel pour des applications réelles. L'alliage Cantor et d'autres alliages à haute entropie pourraient être utiles, par exemple sous la forme d'un revêtement pour les systèmes dans lesquels l'hydrogène est produit, transporté ou stocké. "Comme pour les composants du moteur et les systèmes d'alimentation en carburant de nos voitures", explique M. Glazyrin, "il devrait être important pour nous que ces systèmes durent le plus longtemps possible, non seulement pour des raisons de coût mais aussi pour des raisons environnementales".

Jusqu'à présent, on ne sait pas grand-chose des alliages à haute entropie et de leurs propriétés. Ils ne font l'objet de recherches que depuis 20 ans, et nous découvrons lentement tout leur potentiel et adaptons les processus industriels pour les optimiser en fonction de la faisabilité économique. Toutefois, comme les nouvelles percées peuvent accélérer la recherche appliquée dans les domaines qui n'avaient pas été envisagés au moment de la découverte initiale, de nouvelles méthodes d'essai, semblables à celles présentées dans les travaux de Glazyrin et al. peuvent également donner un coup de fouet. "Notre développement méthodologique raccourcit les premières étapes de la caractérisation des matériaux, qui passent de plusieurs semaines à quelques jours, voire quelques heures. Votre nouveau matériau est-il résistant à l'hydrogène ? Nous pouvons vous donner une réponse rapide", explique M. Glazyrin. La nouvelle méthodologie devrait également être plus sûre que les chambres à pression conventionnelles à grand volume - et même de minuscules quantités d'échantillons de matériaux sont suffisantes pour obtenir des résultats significatifs. En fonction de la tâche à accomplir, ces facteurs pourraient rendre le processus considérablement plus rentable que les essais de matériaux conventionnels comparables.

"Il y a aussi la perspective à long terme", ajoute Hanns-Peter Liermann, scientifique responsable de la ligne de faisceau P02.2 de PETRA III. "Outre l'économie de l'hydrogène, le gouvernement allemand investit actuellement beaucoup de ressources dans la recherche sur la production d'énergie par fusion nucléaire, car les sources d'énergie renouvelables telles que le vent, le soleil et l'eau ne sont pas toujours disponibles et nécessitent des sources d'énergie de secours, et la fusion nucléaire pourrait constituer une telle source à l'avenir." Dans la fusion nucléaire, la fusion de l'hydrogène en hélium libère de l'énergie - un processus qui se produit également à l'intérieur du soleil. Contrairement à la fission nucléaire dans les centrales nucléaires, elle ne produit pratiquement pas de déchets hautement radioactifs. Cependant, elle nécessite beaucoup d'hydrogène, qui est converti dans des conditions de pression et de température extrêmes. Les nouveaux matériaux du^21e siècle, y compris les composés à haute entropie, sont également intéressants à cette fin, par exemple pour le revêtement des réacteurs. Pour tester ces matériaux, nous avons besoin d'installations et d'instruments capables de simuler les conditions extrêmes et les effets qui en résultent, par exemple sur les parois d'un réacteur de fusion : "Parallèlement à la modernisation proposée de PETRA III en PETRA IV dans les années à venir", explique Liermann, "nous prévoyons une ligne de faisceaux pour conditions extrêmes qui pourra également être utilisée pour l'étude in situ de matériaux potentiels pour les parois des réacteurs". Des expériences ciblées visant à développer la technologie des réacteurs de fusion seront alors possibles.

Quoi qu'il en soit, la nouvelle méthode mise au point par Glazyrin et al. a le potentiel d'accélérer la recherche systématique de nouveaux matériaux résistants à l'hydrogène. Elle vient compléter les efforts en cours pour améliorer l'efficacité des applications de l'économie de l'hydrogène. Les premiers résultats obtenus sur des alliages individuels à haute entropie pourraient constituer une première étape vers un développement plus avancé, mais ce n'est pas fini. "Grâce à notre recherche fondamentale, nous créons la base et le point de départ de nouvelles découvertes et applications", explique M. Glazyrin. "Nous travaillons constamment à l'amélioration des tests et de l'infrastructure auxiliaire. Notre étude est un effort international et peut intéresser des partenaires potentiels de l'académie et de l'industrie."