Une nouvelle catégorie de métaux pourrait transformer l’économie africaine des énergies propres : des scientifiques expliquent pourquoi

Depuis des siècles, des métaux utiles sont mis au point à partir d'un élément de base auquel on ajoute de petites quantités d’autres éléments. L’acier, par exemple, est principalement composé de fer. On y ajoute du carbone en quantités variables pour produire différentes nuances d’acier. Le bronze est composé de cuivre et d’étain. Ces mélanges sont appelés « alliages ». L’Afrique fournit déjà plusieurs des métaux utilisés dans les alliages. Pourtant, le continent tire bien moins de valeur de la conception et de la fabrication de matériaux avancés que de l’extraction des minerais qui les rendent possibles. Par exemple, le continent fournit environ les trois quarts du manganèse mondial, 70 % du cobalt et près d’un cinquième de la production mondiale de cuivre, mais ne tire que moins de 1 % de la valeur créée par la fabrication de technologies d’énergie propre utilisant ces minéraux. En effet, l’Afrique exporte la richesse sous sa forme la plus brute et importe la valeur sous sa forme la plus avancée. Pour corriger ce déséquilibre, il faut passer de l’exportation de minerais bruts à la transformation, au raffinage, à la production de matériaux de pointe et à la fabrication sur le territoire national. Cela permettrait aux pays africains de conserver une plus grande part de la valeur économique tout en accélérant l’industrialisation, en favorisant l’innovation et en promouvant le développement durable. Une avancée majeure dans la recherche sur les matériaux métalliques offre l’occasion de changer la donne. Elle se concentre sur les alliages à haute entropie, une nouvelle catégorie de matériaux métalliques qui ont le potentiel de transformer l’Afrique, en la faisant passer d’une économie de type « extraire et expédier » à un rôle de leader dans la conception de matériaux destinés aux applications de stockage de l’hydrogène. Le stockage de l’hydrogène est un enjeu lié à l’énergie propre. Au lieu d’un seul métal principal, les alliages à haute entropie mélangent de nombreux éléments (généralement plus de trois) en proportions égales ou inégales. Une fois optimisés, ces matériaux sont souvent plus solides, plus résistants à la chaleur et à la corrosion, et ont une durée de vie plus longue que la plupart des alliages classiques. Par exemple, ce que l’on appelle l’alliage de Cantor et ses variantes sont très robustes et résistent à la corrosion. Leurs propriétés mécaniques s’améliorent à des températures cryogéniques (très basses), ce qui en fait des candidats prometteurs pour certaines applications. Le défi scientifique consiste à prédire quelles combinaisons produisent des propriétés utiles. Notre équipe de recherche interdisciplinaire rassemble des compétences en science et ingénierie des matériaux, en génie chimique et en modélisation computationnelle des matériaux, ainsi qu’une expérience dans la recherche sur les matériaux énergétiques. Nous nous sommes intéressés aux alliages à haute entropie comme solution à un problème urgent de notre époque : comment stocker et transporter l’hydrogène en toute sécurité dans les chaînes d’approvisionnement en énergie propre. Nous avons passé en revue des études de simulation afin de mieux comprendre comment la composition des alliages influe sur leur capacité de stocker de l'hydrogène. Nos résultats montrent comment les techniques de simulation peuvent accélérer l’identification de matériaux performants. Elles permettent d'identifier des combinaisons métalliques prometteuses avant de les tester en laboratoire. L’objectif est de stocker l’hydrogène et de le libérer de manière à ce qu’il puisse être utilisé dans les véhicules. Le stockage de l’hydrogène dans le cadre des énergies propres L’hydrogène est considéré comme un vecteur d’énergie propre, car son utilisation génère de faibles émissions. La demande mondiale en hydrogène s’élevait à environ 100 millions de tonnes en 2024. Elle pourrait encore augmenter au cours des prochaines décennies. Cependant, le stockage de l’hydrogène pose de nombreux défis. Il nécessite de l'espace et s'accompagne de contraintes de sécurité. L'une des méthodes de stockage de l'hydrogène consiste à le stocker sous forme solide. Les atomes sont alors absorbés dans un métal puis libérés en cas de besoin. Le principal avantage de ce stockage par hydrure métallique est qu'il permet de stocker plus d'énergie dans un volume réduit, et de manière plus sûre que d'autres méthodes. La littérature montre que les alliages à haute entropie peuvent être conçus pour absorber davantage d’hydrogène avec une grande stabilité, même après de multiples cycles d’absorption et de libération d’hydrogène. Ils peuvent fonctionner à des températures et des pressions proches de celles de l’environnement. Il n’est toutefois pas réaliste de s’appuyer uniquement sur des expériences pour développer des alliages à haute entropie destinés au stockage de l’hydrogène. Compte tenu du nombre considérable de combinaisons d’éléments possibles, tester chaque alliage obtenu en laboratoire prendrait énormément de temps et mobiliserait d’importantes ressources. C’est là que réside l’importance de la science computationnelle des matériaux. Les chercheurs peuvent modéliser le comportement des atomes au sein d’un matériau avant même sa création, en utilisant des techniques telles que la théorie fonctionnelle de la densité. Celle-ci s’appuie sur les lois de la physique quantique et sur des calculs faits par des ordinateurs très puissants pour prédire le comportement des matériaux à l’échelle atomique. Ces modèles permettent de prévoir la stabilité d’un alliage, la formation de sa structure et la force de liaison de l’hydrogène. Ils permettent aux scientifiques de concevoir des matériaux avant même de les placer dans le four. Cette méthode réduit les coûts, accélère les découvertes et ouvre de nouvelles perspectives de recherche et d’innovation technologique sans nécessiter d’équipements expérimentaux à grande échelle. En rassemblant les connaissances actuelles et en identifiant les lacunes de la recherche, nos travaux fournissent une feuille de route pour l’utilisation future des alliages à haute entropie dans le le stockage de l’hydrogène. Les atouts naturels et les défis de l’Afrique L’Afrique est particulièrement bien placée pour en tirer parti. Le titane, le vanadium, le chrome et le manganèse ne sont que quelques-uns des éléments actuellement extraits sur l’ensemble du continent et utilisés dans les alliages à haute entropie. Cependant, la richesse minérale à elle seule ne garantit pas une fabrication de pointe. Le Fonds monétaire international (FMI) note que l’Afrique subsaharienne ne réalise encore que peu de transformation minérale à forte valeur ajoutée. Elle est confrontée à des contraintes liées notamment au financement, au savoir-faire, aux infrastructures, aux systèmes énergétiques, aux réseaux de transport et aux capacités de transformation. L'opportunité qui se présente ici est claire : les pays africains devraient s'attacher à transformer ces ressources en alliages à forte valeur ajoutée plutôt que de les exporter à l'état brut. Cela pourrait stimuler le développement industriel et générer des retombées économiques. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d'investir dans les infrastructures de recherche, de faciliter l'accès au calcul haute performance et d'encourager une coopération accrue entre le secteur privé, les pouvoirs publics et les établissements universitaires. Michael Oluwatosin Bodunrin bénéficie d'un financement de la Royal Society au Royaume-Uni.Abdalrhaman Koko bénéficie d'un financement de la Royal Society.Nihad Omer bénéficie d'un financement de la Royal Society.

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