Catalyse hétérogène sous conditions extrêmes

Le développement rapide des domaines aéronautique et spatial a créé un besoin de nouveaux matériaux capables de résister en conditions sévères. De telles conditions sont difficiles à recréer sur Terre mais néanmoins nécessaires pour l’étude, le développement et l’optimisation des matériaux candidats. En particulier, les niveaux de température requis ne peuvent être reproduits et contrôlés finement que par l’utilisation de concentrateurs solaires, et, en associant à ceux-ci des réacteurs dans lesquels l’atmosphère peut être contrôlée et de nature variable (oxydante, ionisée, dissociée…). Le réacteur MESOX (fig. 1) et de nouvelles méthodes ont été mises au point pour la qualification des ces matériaux.

Le comportement physico-chimique de céramiques à vocation spatiale est étudié du point de vue de la tenue à l’oxydation et de la catalycité des surfaces vis-à-vis de la recombinaison d’espèces atomiques et/ou moléculaires, sous basse pression et à haute température. Les objectifs scientifiques concernent la compréhension (mécanismes réactionnels) et la mesure (paramètres de catalycité) de la recombinaison d’espèces à la surface de matériaux dans des atmosphères plasmas (phase de rentrée atmosphérique). Une approche multi-échelle (interaction plasma-matériau à différentes échelles : atomique, micro, macro, et échelle du réacteur…) a été retenue. A l’échelle mésoscopique, une approche thermique, fondée sur un bilan énergétique au niveau de l'échantillon a été réalisée. L'approche expérimentale mono-dimensionnelle a été complétée par une modélisation bi-dimensionnelle (basée sur la simulation des transferts thermiques) permettant d'atteindre le flux de recombinaison de l'oxygène atomique à la surface de différents matériaux céramiques avec prise en compte de l'interaction micro-onde/matériau. A l’échelle microscopique, une approche chimique a été développée, basée sur la détermination du profil de concentration relative en oxygène atomique, mesurée par spectroscopie d'émission atomique, et sur la résolution de l'équation de diffusion pour obtenir le coefficient de recombinaison (fig. 2) complétée par une caractérisation fine de la morphologie de surface par MEB et AFM (fig. 3). Enfin, à l’échelle atomique, une modélisation basée sur la simulation par dynamique moléculaire afin d’une part, de déterminer le principal mécanisme de recombinaison de l’oxygène atomique (Eley-Rideal ou Langmuir-Hinshelwood) et d’autre part, de comparer les résultats expérimentaux avec ceux issus de la modélisation, a été menée en collaboration avec une équipe de recherche de l’IMIP-CNR de Bari Italie).

Cette étude permet l'évaluation expérimentale des coefficients décrivant la catalycité sur le même moyen d'essai :

  • γ le coefficient de recombinaison égal au rapport entre le nombre d'atomes recombinés sur le nombre total d'atomes incidents (0 <γ <1)
  • qrec,acc le flux thermique de recombinaison transféré à la surface du matériau
  • β le coefficient d'accommodation qui rend compte de la part de chaleur transférée au matériau (0 <β <1)

Parallèlement, un diagnostic du milieu plasma est effectué par différentes méthodes : spectroscopie d'émission atomique et moléculaire, sondes catalytiques à fibre optique en partenariat avec le laboratoire Plasma du Josef Stefan Institute de Ljubljana (Slovénie) afin de mieux caractériser le milieu en fonction de différents paramètres (puissance micro-onde injectée, pression, débit gazeux...). Ces études permettent d'accéder à la température du gaz (température rotationnelle de N2 et CO), la concentration absolue d’espèces dissociées dans la décharge et le degré de dissociation dans le cas de plasmas d’air (rentrée terrestre) et de CO2 (rentrée martienne, fig. 4). L’influence de la nature chimique du matériau, de son réseau cristallin, de sa morphologie de surface, de la teneur en impuretés, de la température, de la pression totale… est étudiée.

Contact : Marianne Balat-Pichelin