Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et Pacific Northwest mènent un effort de collaboration pour étudier comment l'hydrogène affecte des matériaux tels que les plastiques, caoutchouc, acier et aluminium.

Le Consortium de compatibilité des matériaux hydrogène, ou H-Mat, se concentrera sur la façon dont l'hydrogène affecte les polymères et les métaux utilisés dans divers secteurs, notamment le transport des piles à combustible et l'infrastructure de l'hydrogène. Les chercheurs d'Oak Ridge, Laboratoires nationaux Savannah River et Argonne, ainsi que dans l'industrie et le milieu universitaire, font également partie de la collaboration. L'effort soutient l'initiative H2@Scale du département américain de l'Énergie, qui vise à faire progresser l'utilisation de l'hydrogène pour la production et le stockage d'énergie ainsi que pour les processus industriels.

"Les capacités de calcul avancées, les installations expérimentales uniques et l'expertise scientifique des laboratoires nationaux permettront de mieux comprendre les interactions de l'hydrogène gazeux avec les polymères et les métaux, " a déclaré Chris San Marchi, Sandia scientifique des matériaux et co-responsable du consortium. "L'objectif est d'améliorer la fiabilité des matériaux dans les infrastructures d'hydrogène pour une utilisation à grande échelle de l'hydrogène comme vecteur d'énergie."

Imagerie à travers les dimensions

Aujourd'hui, les États-Unis produisent environ 10 millions de tonnes d'hydrogène chaque année, principalement pour le raffinage du pétrole et la production d'ammoniac. La demande en hydrogène augmente dans les transports, où des milliers de piles à combustible sont utilisées dans les chariots élévateurs et les véhicules. Les applications de l'hydrogène émergent également grâce à l'innovation dans des secteurs supplémentaires, comme le raffinage du fer et le stockage d'énergie.

Les structures métalliques actuelles qui contiennent de l'hydrogène, comme les vannes, réservoirs de carburant et réservoirs de stockage, sont fabriqués à partir de plusieurs alliages coûteux d'aluminium et d'acier. Dans de tels matériaux, l'hydrogène interagit avec leur constitution atomique de manière à introduire des dommages. Les composants sont régulièrement inspectés et mis hors service après un certain nombre d'années afin que ces dommages n'entraînent pas de pannes inattendues. Étant donné que les mécanismes d'interactions entre l'hydrogène et les matériaux aux nano et micro-échelles ne sont pas bien compris, les durées de vie de divers composants sont difficiles à estimer. On en sait encore moins sur la façon dont l'hydrogène affecte la structure et les propriétés mécaniques des polymères, tels que les tuyaux en plastique et les joints en caoutchouc.

À ce jour, une grande partie de l'infrastructure d'hydrogène existante a été informée par des recherches effectuées dans les laboratoires nationaux pour caractériser les métaux et les polymères dans des environnements d'hydrogène à haute pression. Le consortium H-Mat cherche à approfondir la science sous-jacente de ce comportement, en utilisant des techniques avancées d'imagerie et de caractérisation de surface pour étudier les interactions de l'hydrogène avec les matériaux à des échelles de taille allant de l'atomistique à l'échelle d'ingénierie. Les chercheurs développent également des modèles informatiques pour prédire les mécanismes de ces interactions et l'évolution des dommages induits par l'hydrogène. Ces prédictions peuvent ensuite aider les scientifiques des matériaux à adapter la composition et la composition microstructurale des matériaux pour résister aux dommages induits par l'hydrogène.

Mécanismes microscopiques de dégradation

L'hydrogène affecte les métaux à travers une classe d'interactions appelée fragilisation par l'hydrogène. La fragilisation par l'hydrogène et la fissuration induite par l'hydrogène dans les métaux peuvent être visibles à l'œil nu. Mais ces fissures commencent par des interactions entre l'hydrogène et un matériau à des longueurs mille fois inférieures à la largeur d'un cheveu humain. On sait peu de choses sur les effets de l'hydrogène à ces petites longueurs.

On en sait beaucoup moins sur la façon dont l'hydrogène affecte les polymères. Pour ces matériaux, l'hydrogène peut former des bulles de gaz sous pression qui concentrent le stress et causent des dommages. Il est de plus en plus évident que l'hydrogène interagit également avec les polymères à l'échelle atomique, ce qui peut renforcer les mécanismes de dégradation.

Les chercheurs de Sandia étudient le comportement des métaux et des polymères lorsqu'ils sont exposés à des environnements d'hydrogène à haute pression à l'aide d'un équipement unique sur le campus de Livermore, tandis que l'équipe du Pacific Northwest National Lab dirige la caractérisation et les études expérimentales de la fissuration et de la dégradation dans les polymères.

« Les scientifiques des matériaux des deux laboratoires sont à la base des études expérimentales au sein de ce consortium, " dit Kevin Simmons, le chercheur scientifique principal du PNNL qui agit en tant que co-responsable H-Mat. « Nous tirons également parti des capacités de calcul haute performance de nos laboratoires pour étudier les interactions fondamentales hydrogène-matériaux. »

Les chercheurs des laboratoires collaborateurs fournissent une expertise en imagerie avancée et en calcul haute performance supplémentaire. Universitaires existants et nouveaux, les partenariats industriels et institutionnels apportent des connaissances sur les besoins matériels pour des applications d'infrastructure spécifiques, et les données non exclusives seront rendues publiques pour accélérer la recherche et le développement.