La science des matériaux contient de nombreuses approches possibles, de l’échelle atomique au comportement macroscopique des solides, des phénomènes fondamentaux aux applications quotidiennes. Au laboratoire PROMES, la volonté de la thématique Matériaux pour l’Énergie et l’Espace (MEE), qui regroupe plus d’une trentaine de chercheur·es impliqué·es dans l’élaboration et la compréhension des matériaux du futur, est de tendre vers une utilisation de ces matériaux dans une approche viable et efficace.
Nous nous intéressons aux propriétés optiques, thermoradiatives, électroniques et mécaniques de la matière condensée. Nous faisons appel à des méthodes de synthèses originales (par voie solaire ou grâce à des sources plasma) et des caractérisations de pointe où les matériaux peuvent être soumis à des conditions extrêmes grâce aux installations uniques au monde du grand four solaire d’Odeillo.
Nous développons des approches théoriques et numériques adaptées aux différentes échelles étudiées, de la chimie théorique du nano-objet au modèle phénoménologique décrivant le matériau intégré dans un dispositif expérimental complet.
Nos études bénéficient in fine à des applications concrètes et variées : dosimètres à fibre optique pour la sûreté nucléaire, boucliers thermiques de véhicules spatiaux, nouveaux revêtements absorbants pour les centrales solaires, dispositifs innovants pour le photovoltaïque sous concentration.
Nos recherches se structurent en cinq actions détaillées ci-dessous
(Nano-)Matériaux intégrés et durabilité
De par les applications qu’elle vise, la science des matériaux doit s’intéresser à son impact sur la Nature et à la gestion des ressources utilisées. MEE contribue à une approche efficiente et durable en étudiant les phénomènes de vieillissement et de décomposition des matériaux naturels ou synthétisés. Nos analyses sont multi-échelles, de structures carbonées nano-composites aux matériaux pour les centrales solaires thermodynamiques devant présenter une durée de vie de plusieurs dizaines d’années. La gestion des ressources et la rareté de certains éléments imposent, à long terme, frugalité et adaptation. MEE répond à ces défis en orientant ses recherches vers l’utilisation de matériaux nouveaux ou alternatifs, aux propriétés optoélectroniques remarquables, en vue d’une conversion de l’énergie respectueuse des exigences écologiques.
Comportements mécaniques, thermiques et optiques en conditions extrêmes
Les applications couvertes par MEE imposent souvent aux matériaux des conditions extrêmes, pour lesquels ils doivent être éprouvés, sans perdre leurs propriétés premières.
Les sollicitations thermomécaniques sont intenses dans les centrales solaires à concentration et les boucliers thermiques de véhicules spatiaux. La question du vieillissement est aussi critique pour les applications optiques où les propriétés d’absorption/réflexion doivent être conservées : dosimètres à fibre optique pour le nucléaire, revêtements pour le solaire photovoltaïque et à concentration, etc. L’objectif de MEE est ici double : contribuer à la qualification de nouveaux matériaux et les caractériser sous contraintes. Les ressources expérimentales sous forte concentration solaire (par exemple au four 1 MW d’Odeillo) jouent un rôle essentiel.
Méthodes de synthèse originales de matériaux à propriétés contrôlées
MEE développe des procédés innovants d’élaboration de matériaux (métaux, semi-conducteurs, céramiques ; nanostructurés, nanocomposites, couches minces ou bulk) où les conditions de croissance doivent être finement contrôlées afin d’obtenir les propriétés recherchées : électroniques, optiques, thermoradiatives, thermomécaniques. Nous développons et étudions en particulier des procédés de : synthèse de nanostructures par voie solaire et techniques chimiques ; dépôt de couches minces nanostructurées par voie chimique, physique ou hybride en phase gazeuse, assisté par plasmas haute densité à basse pression ou à pression atmosphérique, utilisant des précurseurs solides, liquides et gazeux non conventionnels.
Conception et propriétés émergentes des nouveaux matériaux
« God made the bulk, the surface was invented by the Devil », Wolfgang Pauli.
L’avènement des nanosciences a montré que les propriétés optiques et électroniques de la matière sont souvent exaltées, voire parfois modifiées, lorsque l’on considère des matériaux ayant au moins une dimension nanométrique (couches minces, fil nanométrique ou nano-objet). MEE étudie les propriétés originales, intrinsèques et collectives, qui émergent des matériaux nanostructurés et/ou composites. À cette fin nous combinons approches théoriques et expérimentales pour synthétiser ces matériaux, les caractériser (électroniquement et optiquement) et interpréter, prédire voire optimiser leur comportement.
Phénomènes de transport et de conversion d’énergie
Les développements de MEE visent des applications dans la conversion et le transport d’énergie. Nous étudions par exemple : les propriétés de matériaux semi-conducteurs pour le photovoltaïque sous flux solaire concentré ou non, les dispositifs innovants hybrides photovoltaïque/thermique*, les processus de catalyse par voie solaire ou encore l’hyperthermie magnétique. Selon l’échelle considérée, les défis à relever sont de différentes natures. En effet, pour le premier exemple, l’enjeu consiste à développer une méthode de caractérisation originale, précise et peu coûteuse ; dans le second cas, il s’agit de modéliser les dispositifs possibles afin d’optimiser le processus de conversion. Mais, si les propriétés de transport et de conversion d’énergie à l’échelle macroscopique sont bien appréhendées, il n’en va pas de même à la nano-échelle. Ainsi, pour les deux derniers exemples, les théories classiques éprouvées deviennent caduques, nous en développons donc de nouvelles.
* le projet de recherche hybride PV-CSP est soutenu par Solcast, qui fournit gracieusement les données météorologiques
Responsable de la thématique
Responsable Adjointe de la thématique
François VERNAY
Professeur Université de Perpignan
Audrey SOUM-GLAUDE
Ingénieure de Recherche CNRS
Membres dans la thématique
| Nom de la Thématique | Matériaux pour l'Energie et l'Espace (MEE) |
|---|---|
| Responsable | François VERNAY |
| Adjoint•e•s | Audrey SOUM-GLAUDE |
| Nombre de C/EC/IR | 18 (5 C/ 12 EC/ 1 IR) |
| Nombre de Doctorants/Post-docs/ATER/... | 11 (9 doctorant•e•s/ 1 Postdoc/ 1 ATER) |
| Membres permanents de la Thématique et statut (IR, CR, DR, MCF, PR - HDR) | Noémi BARROS, MCF UPVD |
| Membres non-permanents de la Thématique et statut (Doctorant, Post-doctorant, ATER, …) | Mathis BORNAND, STAG |