Certains processus industriels utilisés pour créer des produits chimiques utiles nécessitent de la chaleur, mais les méthodes de chauffage sont souvent inefficaces, en partie parce qu’elles chauffent un volume d’espace plus important que nécessaire. Des chercheurs, notamment ceux de l'Université de Tokyo, ont mis au point un moyen de limiter le chauffage aux zones spécifiques requises dans de telles situations. Leur technique utilise des micro-ondes, un peu comme celles utilisées dans les fours à micro-ondes domestiques, pour exciter des éléments spécifiques dispersés dans les matériaux à chauffer. Leur système s’est avéré environ 4,5 fois plus efficace que les méthodes actuelles.
Même si le changement climatique ne se limite pas à la production d'électricité et au dioxyde de carbone (CO2), réduire le besoin du premier et la production du second sont des questions cruciales que la science et l’ingénierie s’efforcent de résoudre. Sous la vaste bannière de la transformation verte, le professeur Fuminao Kishimoto du Département de génie des systèmes chimiques de l'Université de Tokyo et son équipe explorent les moyens d'améliorer des choses comme les processus industriels. Leur dernier développement pourrait avoir un impact sur certaines industries impliquées dans la synthèse chimique et pourrait avoir d’autres retombées positives. Et leur idée sous-jacente est relativement simple.
« Dans la plupart des cas, les réactions chimiques ne se produisent que dans de très petites régions localisées impliquant seulement quelques atomes ou molécules. Cela signifie que même dans un grand réacteur chimique, seules des parties limitées nécessitent réellement un apport d'énergie pour la réaction », a déclaré Kishimoto.
« Cependant, les méthodes de chauffage conventionnelles, telles que la combustion ou les fluides chauds, dispersent l'énergie thermique dans l'ensemble du réacteur. Nous avons commencé cette recherche avec l'idée que les micro-ondes pourraient concentrer l'énergie sur un seul site actif atomique, un peu comme la façon dont un four à micro-ondes chauffe les aliments. »
Comme le mentionne Kishimoto, le processus est similaire dans son concept au fonctionnement d'un four à micro-ondes, seulement dans ce cas, plutôt que d'avoir des micro-ondes réglés pour chauffer des molécules d'eau polaires à environ 2,45 gigahertz (ce qui est également une fréquence Wi-Fi courante au cas où vous auriez déjà remarqué que votre connexion Internet devient instable lorsque vous chauffez des restes), leurs micro-ondes sont réglés sur des fréquences beaucoup plus basses, autour de 900 mégahertz. En effet, ceux-ci sont idéaux pour exciter le matériau qu’ils souhaitent chauffer, la zéolite.
« L'aspect le plus difficile a été de prouver qu'un seul site actif atomique était chauffé par les micro-ondes. Pour y parvenir, nous avons passé quatre ans à développer un environnement expérimental spécialisé dans la grande installation japonaise de rayonnement synchrotron de classe mondiale, SPring-8 », a déclaré Kishimoto.
« Cela impliquait l'utilisation d'une zéolite spongieuse, idéale car nous pouvons contrôler la taille des cavités de l'éponge, ce qui nous permet d'équilibrer différents facteurs de réactions. À l'intérieur des cavités de l'éponge, les ions indium agissent comme des antennes. Ceux-ci sont excités par les micro-ondes qui créent de la chaleur, qui peut ensuite être transférée aux matériaux de réaction passant à travers l'éponge. »
En fournissant sélectivement de la chaleur à des matériaux spécifiques, des températures globales plus basses peuvent être utilisées pour réaliser des réactions autrement très exigeantes, telles que la décomposition de l'eau ou la conversion du méthane, toutes deux utiles pour créer des produits combustibles. Ils peuvent encore améliorer la sélectivité en faisant varier la taille des pores de l'éponge de zéolite, des pores plus petits offrant une plus grande efficacité et des pores plus grands permettant un meilleur contrôle des réactions.
Et l’un des principaux avantages est que cette technique peut même être utilisée pour le captage du carbone, le recyclage du CO2 dans le cadre de la conversion du méthane, et même recycler les plastiques plus facilement.
Le défi sera désormais de savoir comment étendre cette technologie pour encourager son adoption industrielle : les choses qui fonctionnent en laboratoire ne se traduisent pas facilement dans les grands environnements industriels. Et la recherche présente certaines limites qu’il faudrait également aborder en premier. Les exigences matérielles sont assez complexes et ne sont ni simples ni bon marché à produire ; il est difficile de mesurer avec précision les températures à l'échelle atomique, c'est pourquoi les données actuelles reposent sur des preuves indirectes et des moyens plus directs seraient préférables. Et malgré les améliorations en matière d'efficacité, il reste encore place à l'amélioration, car il y a des pertes de chaleur et d'électricité en cours de route.
« Nous visons à étendre ce concept à d'autres réactions chimiques importantes au-delà du CO2 conversion et d'optimiser davantage la conception du catalyseur pour améliorer la durabilité et l'évolutivité. La technologie en est encore au stade du laboratoire. La mise à l'échelle nécessitera un développement plus poussé des catalyseurs, la conception des réacteurs et l'intégration de sources d'énergie renouvelables », a déclaré Kishimoto.
« Bien qu'il soit difficile de donner un calendrier précis, nous prévoyons des démonstrations à l'échelle pilote au cours de la prochaine décennie, avec une adoption industrielle plus large en fonction des progrès réalisés à la fois dans la technologie et dans les infrastructures énergétiques. Pour y parvenir, nous recherchons des partenaires commerciaux pour s'engager dans un développement conjoint. »
