Une recherche de l’UE relève les défis du baptême de feu
Le bouclier thermique d’un véhicule spatial entrant dans l’atmosphère d’une planète et la biomasse forestière dans le cadre d’applications en énergie renouvelable subissent tous deux un processus physique et chimique autonome appelé pyrolyse. La caractérisation de la pyrolyse dans ces matériaux poreux est essentielle à la conception optimale des systèmes de protection thermique (SPT) pour les missions spatiales et à celle des réacteurs de pyrolyse qui optimisent la production de biohydrocarbures et de carbone solide. Avec le soutien d’une bourse de recherche individuelle Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet PATO est parvenu à combiner de manière unique l’étude expérimentale et théorique de ces deux domaines clés.
Venu tout droit de l’espace
En 2009, Jean Lachaud, aujourd’hui professeur agrégé à l’Université de Bordeaux, s’est attelé à créer un outil de simulation numérique pour l’Administration nationale de l’aéronautique et de l’espace (NASA) appelé «Porous material Analysis Toolbox» ou «Boîte à outils d’analyse des matériaux poreux» (PATO) pour étudier les matériaux poreux utilisés dans les SPT. En se basant sur le logiciel gratuit en accès libre de mécanique des fluides numérique, OpenFOAM, PATO est diffusé à 20 groupes aux États-Unis et en Europe depuis 2012, principalement pour des projets à la NASA et à l’Agence spatiale européenne (ESA). Cette collaboration est en cours. Jean Lachaud continue de publier des mises à jour pour le compte de la NASA deux fois par an, et une assistance utilisateur standard est fournie à titre gracieux. En 2014, Jean Lachaud a renforcé son plan pour utiliser PATO pour modéliser la pyrolyse de la biomasse et développer des modèles prédictifs ainsi qu’un réacteur de pyrolyse innovant. C’est alors qu’est né le projet PATO, soutenu par le programme MCSA, avec Jean Lachaud comme titulaire d’une bourse MCSA et Azita Ahmadi de la Grande école de technologie (ENSAM) comme coordinatrice et superviseuse du projet. «Le projet PATO visait à apporter des améliorations significatives aux modèles de pyrolyse actuels grâce à la conception, la construction et l’utilisation d’une installation expérimentale dédiée, afin de caractériser pleinement les réactions chimiques dans les milieux poreux», déclare Jean Lachaud.
C’est l’histoire de deux résines
Les SPT des structures aérospatiales sont généralement constitués de composites carbone‑phénoliques constitués de fibres de carbone rigides de faible densité, imprégnées de résine polymère phénolique. Le composite de lignocellulose du bois présente une structure similaire dans laquelle les fibres de cellulose et d’hémicellulose sont «reliées» par la lignine, un polymère organique. Jean Lachaud explique: «Comme la chaleur se diffuse de la couche limite vers l’intérieur de la matière, à l’état quasi‑stable, l’évolution de la matière vierge peut être divisée en quatre zones: séchage, pyrolyse, craquage et cokéfaction, et ablation et combustion. La modélisation portait sur les limites des approches de quatre phénomènes physico‑chimiques survenant dans les matériaux des SPT lors de l’entrée dans l’atmosphère et dans la biomasse au cours de la pyrolyse.»
La recherche sur la pyrolyse en ébullition
L’un des objectifs fondamentaux des bourses individuelles MCSA porte sur la réintégration d’un poste de recherche à long terme en Europe, y compris dans les pays d’origine des chercheurs. Suite à une année productive avec l’ENSAM et son partenariat avec le département TREFLE à l’Institut de mécanique et d’ingénierie de l’Université de Bordeaux, Jean Lachaud s’est vu proposer et a accepté un poste de professeur agrégé. Même si cela a rapidement mis un terme au projet PATO, les travaux novateurs se poursuivent. Jean Lachaud résume: «La plateforme PATO continue d’être mise à jour, tout comme les simulations des réacteurs de pyrolyse. Les améliorations apportées au prototype du réacteur devraient permettre de commercialiser des réacteurs de pyrolyse, ce qui aura un impact notable sur la recherche et les applications industrielles des matériaux poreux.»
Mots‑clés
PATO, pyrolyse, matériau poreux, SPT, réacteur de pyrolyse, NASA, biomasse forestière, bouclier thermique, résine, système de protection thermique
