Les vieilles canettes de soda et l’eau de mer pourraient devenir une source durable d’énergie propre.
Des ingénieurs du MIT ont découvert que l’aluminium des canettes de soda, lorsqu’il est purifié et mélangé à de l’eau de mer, produit naturellement de l’hydrogène. Ce gaz peut ensuite alimenter un moteur ou une pile à combustible sans émissions de carbone. De plus, cette réaction peut être accélérée en ajoutant de la caféine.
Dans une étude publiée aujourd’hui dans Cell Reports Physical Science, les chercheurs montrent qu’ils peuvent produire de l’hydrogène en plongeant des pastilles d’aluminium prétraitées dans de l’eau de mer filtrée. L’aluminium est prétraité avec un alliage de métal rare qui permet à l’aluminium pur de réagir avec l’eau de mer pour générer de l’hydrogène. Les ions de sel dans l’eau de mer aident à récupérer l’alliage, qui peut être réutilisé pour produire plus d’hydrogène, créant ainsi un cycle durable.
L’équipe a découvert que cette réaction produit de l’hydrogène gazeux, bien que lentement. Pour accélérer le processus, ils ont ajouté du marc de café au mélange et ont constaté que la réaction s’accélérait.
Ils ont trouvé qu’une faible concentration d’imidazole – un composant de la caféine – pouvait accélérer la réaction, produisant la même quantité d’hydrogène en cinq minutes au lieu de deux heures.
Les chercheurs développent un petit réacteur qui pourrait être utilisé sur des navires ou des véhicules sous-marins. Le navire contiendrait des granulés d’aluminium recyclés, un peu de gallium-indium et de la caféine. Ces ingrédients, combinés à l’eau de mer environnante, produiraient de l’hydrogène à la demande pour alimenter le moteur du navire.
« C’est très intéressant pour les applications maritimes, car vous n’avez pas besoin de transporter de l’eau de mer – elle est facilement disponible », explique Aly Kombargi, doctorant au département de génie mécanique du MIT. « Nous n’avons pas non plus besoin de transporter un réservoir d’hydrogène. Au lieu de cela, nous transporterions de l’aluminium comme « carburant » et ajouterions simplement de l’eau pour produire l’hydrogène dont nous avons besoin. »
Les co-auteurs de l’étude comprennent Enoch Ellis, étudiant en génie chimique ; Peter Godart PhD ’21, fondateur d’une entreprise de recyclage de l’aluminium pour produire de l’hydrogène ; et Douglas Hart, professeur de génie mécanique au MIT.
Boucliers
L’équipe du MIT, dirigée par Hart, travaille sur des méthodes durables pour produire de l’hydrogène, une source d’énergie « verte » qui pourrait alimenter les moteurs et les piles à combustible sans émissions de gaz à effet de serre.
Un des défis du ravitaillement en hydrogène est que certains véhicules nécessitent de transporter le gaz, ce qui peut être risqué. Hart et son équipe cherchent des moyens de produire de l’hydrogène sans avoir à transporter le gaz lui-même.
Ils ont trouvé une solution dans l’aluminium, un matériau abondant et stable qui, au contact de l’eau, génère de l’hydrogène et de la chaleur. Cependant, l’aluminium doit être pur et exposé pour réagir avec l’eau. Lorsqu’il est exposé à l’air, une couche d’oxyde se forme, empêchant la réaction.
Dans des travaux antérieurs, l’équipe a découvert qu’elle pouvait percer cette couche d’oxyde en prétraitant l’aluminium avec un alliage de gallium et d’indium. Cet alliage élimine l’oxyde et permet à l’aluminium de réagir avec l’eau. Dans de l’eau douce désionisée, une pastille d’aluminium prétraitée produit 400 millilitres d’hydrogène en cinq minutes. Un gramme de pastilles génère 1,3 litre d’hydrogène dans le même temps.
Pour que ce système soit viable, il faut récupérer l’alliage de gallium-indium, qui est coûteux et rare.
« Pour que cette idée soit rentable et durable, nous avons dû travailler sur la récupération de cet alliage après réaction », explique Kombargi.
Par la mer
Dans leur nouveau travail, l’équipe a découvert qu’ils pouvaient récupérer et réutiliser le gallium-indium en utilisant une solution d’ions. Les ions empêchent l’alliage de réagir avec l’eau et aident à le précipiter sous une forme récupérable.
« Heureusement pour nous, l’eau de mer est une solution ionique très bon marché et disponible », explique Kombargi. Il a testé l’idée avec de l’eau de mer de Revere Beach. « J’ai simplement filtré les algues et le sable, ajouté de l’aluminium, et cela a fonctionné avec des résultats cohérents. »
Il a découvert que l’hydrogène bouillonnait en ajoutant de l’aluminium dans de l’eau de mer filtrée. Il a ensuite pu extraire le gallium-indium. Cependant, la réaction était plus lente que dans l’eau douce. Les ions de l’eau de mer protègent le gallium-indium, permettant sa récupération, mais ralentissent également la réaction de l’aluminium avec l’eau.
Pour accélérer la réaction, les chercheurs ont testé divers ingrédients non conventionnels.
« Nous jouions avec des objets dans la cuisine et avons découvert que le marc de café accélère la réaction dans l’eau de mer », explique Kombargi.
Le département de chimie du MIT leur a suggéré d’essayer l’imidazole, un composant de la caféine, qui perce l’aluminium tout en laissant intact le bouclier ionique du gallium-indium.
« C’était notre grande victoire », déclare Kombargi. « Nous avions tout ce que nous souhaitions : récupérer le gallium-indium et une réaction rapide et efficace. »
Les chercheurs pensent avoir les ingrédients essentiels pour un réacteur à hydrogène durable. Ils prévoient de le tester sur des véhicules marins et sous-marins. Ils estiment qu’un réacteur contenant environ 40 livres de pastilles d’aluminium pourrait alimenter un petit planeur sous-marin pendant environ 30 jours.
« Nous montrons une nouvelle façon de produire de l’hydrogène, sans transporter d’hydrogène mais en utilisant de l’aluminium comme « carburant » », explique Kombargi. « La prochaine étape consiste à comprendre comment l’utiliser pour les camions, les trains et peut-être les avions. Peut-être qu’au lieu de transporter de l’eau, nous pourrions extraire l’eau de l’humidité ambiante pour produire de l’hydrogène. C’est sur toute la ligne. »
