Un nouvel âge du fer : combustible métallique pour le carbone

May 12, 2023

Par Agence spatiale européenne (ESA)4 juin 2023

Les scientifiques ont mené des recherches sur la combustion discrète, une forme de feu qui saute d'une source de combustible à une autre, en utilisant de la poudre de fer en apesanteur. Le produit restant après la combustion est l'oxyde de fer, une substance qui ne produit pas de dioxyde de carbone et qui peut être recyclée à l'infini. Suite à ces expériences en microgravité, des fours à fer efficaces ont été développés, conduisant à la création d'un stockage d'énergie circulaire et sans carbone. Une usine de démonstration est opérationnelle aux Pays-Bas et de nombreuses start-up explorent ce carburant sans carbone pour les usines et les processus industriels. À l'avenir, ce combustible métallique pourrait également être utilisé pour des avant-postes lunaires durables, utilisant potentiellement des minéraux lunaires et de la glace pour produire des poudres métalliques pour la propulsion et de l'eau pour la consommation. Crédit : Fer+

Les chercheurs ont utilisé des expériences de microgravité pour étudier la combustion discrète de poudre de fer, conduisant à un stockage d'énergie sans carbone et recyclable à l'infini. Cela a des applications prometteuses sur Terre et pour de futurs avant-postes lunaires durables.

Tout brûle. Dans le bon environnement, toute matière peut brûler en ajoutant de l'oxygène, mais trouver le bon mélange et générer suffisamment de chaleur fait que certains matériaux brûlent plus facilement que d'autres. Les chercheurs souhaitant en savoir plus sur un type de feu appelé combustion discrète ont utilisé les installations d'expérimentation en microgravité de l'ESA pour enquêter.

Dans une série de vols paraboliques et sur des fusées-sondes lancées depuis la Suède, une équipe du professeur Jeffrey Bergthorson de l'Université McGill au Canada et de l'Université de technologie d'Eindhoven aux Pays-Bas a étudié la combustion de poudre de fer en apesanteur. Leur recherche était de la physique pure, les scientifiques voulaient en savoir plus sur la combustion discrète dans laquelle les flammes ne brûlent pas le combustible en continu mais sautent d'une source de combustible à une autre. Cette forme de feu se produit rarement naturellement sur Terre, mais un exemple est un feu de forêt où un arbre brûle complètement et le feu saute à l'arbre suivant lorsque la température augmente suffisamment pour la combustion.

Cette vidéo hypnotique de combustion discrète a été enregistrée lors d'une expérience de vol parabolique à bord de l'avion Falcon-20 du Centre national de recherche du Canada qui offre aux chercheurs jusqu'à dix-huit secondes d'apesanteur précieuse. Crédit : équipe Perwaves

La combustion de poussière de fer lors d'expériences sur des avions zéro g et des vols de fusées a permis aux particules de fer de flotter et de s'enflammer discrètement. Des caméras à grande vitesse ont capturé le spectacle et permis aux chercheurs de mieux comprendre le phénomène, résultant en des modèles informatiques qui ont montré les conditions idéales pour brûler le carburant sur Terre.

Saviez-vous que le fer pouvait brûler ? La combustion de la poudre de fer vue ici se déroule sur une base entièrement sans fumée et sans carbone. Crédit : TU/e ​​/ Solid / Bart van Overbeeke

Grâce aux nouvelles connaissances rendues possibles par la recherche en microgravité, il est devenu possible de construire des fours à fer efficaces et pratiques.

L'avantage de la combustion du fer est dû à la chimie. Essentiellement, la combustion de carburant est le processus de transformation d'un matériau en ajoutant des atomes d'oxygène. C'est pourquoi le carburant à base de carbone produit du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, lorsque deux atomes d'oxygène sont ajoutés au carburant à base de carbone, comme le bois, le charbon ou le pétrole. Avec le fer, le produit restant après la combustion est l'oxyde de fer, plus communément appelé rouille. Aucun dioxyde de carbone n'est produit et le fer rouillé peut être facilement récupéré car il ne forme pas de gaz - le fer en combustion n'émet aucun gaz nocif.

La rouille du fer peut même être traitée pour éliminer l'oxygène et le restituer sous forme de fer à l'aide d'hydrogène. En utilisant de l'électricité provenant de sources durables, le fer comme combustible peut devenir un stockage d'énergie circulaire et recyclable à l'infini.

Une usine de démonstration est déjà opérationnelle à Budel, près d'Eindhoven, aux Pays-Bas, utilisant le fer comme source de combustible, ce générateur peut produire 1 MW de vapeur dans une unité située dans un entrepôt. Mise à l'échelle, une telle centrale électrique en fer pourrait produire beaucoup plus d'énergie.

De nombreuses start-up exploitent déjà ce carburant sans carbone pour alimenter les usines et les processus industriels.

Usine de démonstration de fours à fonte. 1 crédit

Alors que les agences spatiales se préparent à construire des avant-postes lunaires durables, fournir de l'énergie aux astronautes sur la Lune n'est qu'un des défis à relever. Le combustible métallique pourrait être une solution. En utilisant l'énergie solaire, non seulement des poudres d'aluminium et de silicium peuvent être produites à partir de minéraux lunaires, mais aussi de l'hydrogène et de l'oxygène peuvent être exploités à partir de la glace lunaire. L'hydrogène peut ensuite être utilisé pour convertir la poussière lunaire riche en fer et en titane pour produire de l'eau et poudre de fer. Les poudres métalliques et l'oxygène de la glace d'eau peuvent être utilisés comme propulseurs pour les fusées ou le transport terrestre et le sous-produit de l'eau peut même être utilisé comme eau potable.

Vue d'artiste d'un scénario d'exploration de la Lune. Crédit : ESA–ATG

Ce processus peut sembler être de la science-fiction maintenant, mais l'utilisation du fer comme source de carburant sur Terre a commencé comme une idée il y a à peine une décennie. Aujourd'hui, la communauté des combustibles métalliques comprend des centaines de scientifiques et d'ingénieurs du monde entier et constitue une technologie phare pour les carburants alternatifs sans carbone. Dans un avenir pas si lointain, vous ferez peut-être fonctionner votre voiture ou votre maison au fer !

Metals could be produced using clean energy, such as from solar cells or wind turbines. That electricity is stored as chemical energy in the metal powder at energy densities that are competitive with fossil fuels. This has the potential to reduce greenhouse gasses emission globally, but a barrier to implementing this technology is the development of combustion systems that can efficiently burn the metal fuels, which requires a solid understanding of their combustion physics. Credit: ESA – European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Agence spatiale européenne