Les scientifiques ont conçu des expressions mathématiques qui estiment plus précisément le mouvement du gaz à travers des pores de taille nanométrique. Cela pourrait aider à améliorer le développement des piles à combustible.

De nombreux dispositifs techniques dépendent du flux de gaz à travers un milieu poreux. Dans les pots catalytiques, par exemple, les gaz d'échappement nocifs des automobiles traversent un milieu poreux de billes de céramique recouvertes d'un catalyseur qui les convertit en composés inoffensifs. Aussi, dans les piles à combustible en développement pour les véhicules respectueux de l'environnement, l'hydrogène et l'oxygène traversent un catalyseur poreux qui les transforme en eau, produire de l'électricité.

Les ingénieurs ont besoin d'une compréhension claire de la façon dont les gaz se déplacent à travers les milieux poreux pour améliorer ces dispositifs. Cependant, il est difficile de mesurer le transport de molécules à travers des pores de taille nanométrique.

Des chercheurs de l'Université de Tohoku au Japon spécialisés dans la dynamique des gaz raréfiés, avec des collègues de Honda R&D Co., Ltd., utilisé des simulations informatiques pour développer deux expressions mathématiques qui estiment la vitesse d'écoulement du gaz à travers un milieu poreux.

Les expressions ressemblent à des équations, mais montrent en fait une relation physique entre la vitesse d'écoulement à travers un milieu poreux et le gradient de pression, qui peut aider à comprendre le transport moléculaire à travers les milieux poreux. Cela pourrait contribuer à faire avancer le développement de piles à combustible plus respectueuses de l'environnement pour les voitures et même pour les futures navettes spatiales.

L'équipe a utilisé la "méthode de simulation directe Monte Carlo (DSMC), ' qui modélise le flux de gaz à basse pression à l'aide de molécules de simulation. Dans leur étude, les milieux poreux étaient représentés par des particules sphériques solides disposées au hasard. L'équipe a étudié ce qui se passait lorsqu'un flux constant de molécules d'hydrogène était entraîné dans le milieu par un gradient de pression constant. Des simulations ont été effectuées pour différentes porosités et différentes tailles de particules solides.

L'équipe a découvert que la vitesse d'écoulement du gaz à travers un milieu poreux augmente proportionnellement à l'augmentation du gradient de pression. Cela montre que la loi de Darcy, qui stipule que le débit de fluide à travers un milieu poreux est proportionnel au gradient de pression, s'applique même avec des pores nanométriques. Cependant, ils ont trouvé des modèles conventionnels, comme l'équation de Kozeny-Carman, qui est souvent utilisé pour estimer la vitesse d'écoulement à travers un milieu poreux, ont produit des estimations différentes des résultats des simulations DSMC lorsque les pores microscopiques étaient remplacés par des pores nanométriques.

Lorsque les pores sont relativement grands, la différence de pression induit un écoulement de gaz. Le débit se stabilise lorsque la force visqueuse exercée sur le gaz au niveau des parois des pores équilibre la force due à la différence de pression. C'est ce qu'on appelle le « flux visqueux ». D'autre part, lorsque les pores sont nanométriques, les molécules de gaz ne peuvent pas détecter directement la différence de pression car les collisions molécule à molécule sont beaucoup moins fréquentes que les collisions molécule à paroi. Dans ce cas, les molécules de gaz se dispersent dans des directions aléatoires après des collisions molécule-paroi. Ces mouvements moléculaires chaotiques induisent un flux moléculaire net dans le sens d'une concentration moindre. C'est ce qu'on appelle le « flux de Knudsen ». La raison pour laquelle les modèles conventionnels ont produit des estimations inexactes dans le cas de pores nanométriques est que seul le flux visqueux est pris en compte dans ces modèles.

L'équipe a développé deux expressions mathématiques qui décrivent la vitesse d'écoulement du gaz à travers un milieu poreux. Ils considéraient un milieu poreux comme un faisceau de tubes capillaires tortueux, dont le diamètre est égal à la distance moyenne parcourue par une molécule entre des collisions successives molécule-paroi. Leurs expressions pour un milieu poreux ont été construites en superposant les contributions des flux visqueux et Knudsen à travers les tubes capillaires tortueux.

L'équipe a découvert que la saisie d'informations telles que le diamètre et la porosité des particules dans ces expressions entraînait des estimations de la vitesse d'écoulement qui concordaient bien avec les résultats de la simulation DSMC.

"Nos expressions seront applicables à tout gaz à molécules simples et à tout milieu poreux de structure interne arbitraire, " dit Shigeru Yonemura de l'Université du Tohoku, l'auteur correspondant de l'étude. « Ces connaissances seront utiles non seulement pour les technologies des piles à combustible, mais également pour toute technologie impliquant un écoulement de gaz à travers un milieu poreux. Notre prochaine étape consiste à construire une expression théorique de la tortuosité du tube capillaire. Avec cela, nous pourrons compléter nos expressions pour estimer les vitesses d'écoulement du gaz à travers n'importe quel milieu poreux."