La glace XVI, une clé pour l'énergie du futur : explications

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Les clathrates se comportent comme des pièges moléculaires pour certains gaz. Le plus connu est l’hydrate de méthane que l’on peut trouver à l’état naturel dans les océans. Pour exploiter cette source d’énergie et afin de mieux les connaître, les chercheurs ont synthétisé un nouveau type de glace baptisé glace XVI.

Rien ne semble plus banal que la glace d’eau ? Faux. D’abord, contrairement aux autres liquides, l’eau augmente de volume quand elle gèle. Plus légère, alors, elle flotte. Mais cela n’est vrai que lorsque l’on considère la forme de la glace qui est pour nous la plus ordinaire. Il existe en effet, et c’est relativement peu connu sauf des physiciens et des chimistes confrontés au sujet, plusieurs types de glace apparaissant dans différentes phases selon les conditions de température et de pression. On en connaît ainsi plus d’une dizaine de formes cristallines.

 L’hydrate de méthane a l’aspect de la glace ou d’un bloc de neige et pourtant on peut facilement l’enflammer. On en trouve de grandes quantités en bordure des océans. MBARI

La première découverte par l’humanité a été classifiée au début du XX^ème siècle par Gustav Tammann, sous l’appellation de glace Ih (la lettre h indiquant qu’elle fait partie des cristaux dont la maille cristalline est hexagonale). Tammann a aussi découvert les glaces de type II et III. Pionnier de la physique des hautes pressions, le physicien P.W Bridgman a contribué à l’extension de notre connaissance des types de glace en fabriquant, en 1912, d’abord les glaces V et VI puis, en 1937, la glace VII. Ces connaissances nous permettent de spéculer sur la structure interne des planètes géantes comme Jupiter et Neptune.

Des chercheurs ayant utilisé les faisceaux de neutrons disponibles à l’Institut Laue-Langevin (ILL) viennent de publier dans Nature, les résultats de leurs travaux sur un nouveau type qui est la moins dense de toutes les formes de glaces connues. Il s’agit de la glace XVI.

L’intérêt de ces travaux vient de ce qu’il concerne directement les propriétés des clathrates (du grec klathron qui signifie fermeture) à base de molécules d’eau. Il s’agit de composés possédant une structure cristalline et formant des sortes de cages moléculaires enfermant d’autres molécules ou des atomes. Le clathrate le plus connu est l’hydrate de méthane. Il défraye régulièrement la chronique, car ceux qui sont présents dans le permafrost et dans de vastes couches sédimentaires à des centaines de mètres au fond des océans sont potentiellement instables et risquent de libérer d’immense quantité de méthane dans l’atmosphère à cause du réchauffement climatique. Or ce gaz qui constitue aussi une source d’énergie est un gaz à effet de serre particulièrement puissant.

On étudie donc les gisements naturels considérables d’hydrate de méthane pour deux raisons contradictoires. Ils constituent à la fois une menace pour la survie de l’humanité, car ils pourraient provoquer un emballement spectaculaire du réchauffement climatique, et ils pourraient aussi contribuer à résoudre le problème de l’énergie au XXI^ème siècle et donc, a contrario, assurer la survie de larges populations.

 Ce diagramme de phase de l’eau montre bien qu’il existe plusieurs types de glace possibles. Nous en sommes maintenant à la glace XVI. Wikipédia, Olivier Descout, cc by sa 3.0

Les chercheurs ont de bonnes raisons de penser que la structure de la glace XVI est représentative de celle d’hydrate de méthane et d’autres clathrates. Cette étude a donc le potentiel de livrer certains secrets de la physique et de la chimie des clathrates précieux aussi bien pour protéger la planète que pour les exploiter comme source d’énergie. Mais encore fallait-il créer cette glace qui s’apparente à ce que l’on peut appeler un clathrate vide. Pour ce faire, les physiciens et les chimistes en ont synthétisé rempli de molécules de néon (formées de petits atomes, elles permettent de vider le clathrate sans compromettre sa fragile structure), qu’ils ont ensuite extrait en plaçant le clathrate dans un vide à une température avoisinant 140 K. Les faisceaux de neutrons disponibles à l’ILL ont été diffractés par le matériau au cours de sa formation, ce qui a permis de s’assurer que l’on obtenait bien un clathrate et de recueillir des renseignements sur sa structure.

Selon Thomas Hansen, l’un des chercheurs impliqué dans les travaux sur la glace glace XVI : « Il faut savoir que l’on peut aussi former des clathrates avec du dioxyde de carbone, qui est stable dans les conditions des fonds océaniques. Cela signifie qu’il existe une possibilité d’extraire le méthane de son hydrate pour le transformer en énergie utile, en le remplaçant par le CO2. Autrement dit, on pourrait envoyer le CO2 au fond des océans pour prendre la place du méthane dans les clathrates. Un défi de taille, certes, et dont la faisabilité pose question, mais cela reste une possibilité fascinante qui vaut la peine d’être approfondie ».

Hydrate de méthane : Un hydrate de méthane (ou clathrate de méthane) est un composé d'origine organique naturellement présent dans les fonds marins, sur certains talus continentaux, ainsi que dans le pergélisol des régions polaires. La formation de ces hydrates constitue l'un des puits de carbone planétaires, mais elle est très instable quand sa température dépasse un certain seuil.  Les hydrates de méthane sont une source potentielle d’énergie fossile pour remplacer le pétrole. Ils sont réputés présents en grande quantité, surtout en fonds marins, mais sont difficilement exploitables. Ils restent une source directe de méthane ou indirecte de CO2, deux puissants gaz à effet de serre. (Photo Combustion d’hydrate de méthane (USGS). Cadre en haut à gauche : structure du clathrate. USGS / domaine public) Appelé familièrement « glace qui brûle » ou « glace de méthane », ce composé glacé est inflammable dès qu'il fond et en présence d'oxygène ou d'un oxydant. À l'échelle moléculaire, un clathrate de méthane est en effet constitué d'une fine « cage » de glace dans laquelle est piégé du méthane a priori issu de la décomposition de matière organique relativement récente (par rapport à celle qui a engendré le pétrole et le gaz naturel) et effectuée par des microorganismes anaérobies et méthanogènes.  Bloc d'hydrate de gaz (clathrate) trouvé lors d'une expédition scientifique avec le navire de recherche allemand FS SONNE dans la zone de subduction située au large de l'Oregon, à une profondeur d'environ 1 200 mètres. Cet hydrate de méthane était enfoui dans le premier mètre du sédiment, dans la zone dite "hydrate ridge", au large de l'Oregon (États-Unis). Ici, il présente une structure particulière(vaguement en « nid d'abeille ») quand il fond. Wusel007 / GFDL Lors de la production de gaz naturel, d'autres hydrates peuvent se former (d'éthane et de propane). Plus la longueur de la molécule d'hydrocarbure augmente (butane, pentane..), moins les hydrates formés sont stables. Les hydrates de gaz naturels (Natural gas hydrate ou NGH en anglais) sont caractérisés par une plus faible pression (25 mégapascals, compression 1/170) et une plus haute température (0°C), que les LNG (Liquified natural gas) ou les CNG (Compressed natural gas, gaz naturels comprimés).  Bloc d'hydrate de méthane en train de fondre dans l'eau de mer, en se dissociant en eau et méthane (photo USGS / domaine public)  L'hydrate de méthane est formé de molécules d'eau formant des cages qui piègent des molécules de gaz comme le méthane ou le sulfure d'hydrogène (gaz tous deux présents dans l'hydrate remonté par le navire Sonne). Ces cages peuvent stocker de considérables quantités de gaz (par exemple 164 cm3 de méthane dans 1 cm3 d'hydrate). A Noter : Les hydrates de méthane, et plus généralement, d'hydrocarbures, sont à l'origine de nombreux incidents dans des gazoducs, notamment sous-marin. Les conditions de stabilité des hydrates étant localement remplies, la tuyauterie se bouche sous l'effet de la solidification du fluide transporté.

Futura Sciences 13/12/2014 - Wikipedia