Étoile des neiges…

Etude des hydrates de gaz dans des conditions glaciales avec les balances haut de gamme LA

Les flocons de neige…

… sont des cristaux de glace qui se forment à partir de la vapeur d’eau des nuages et qui subissent un grand nombre de transformations lors de leur chemin vers la surface de la terre.

Les hydrates de gaz…

… sont des substances solides qui ressemblent à de la glace. Ces gaz se trouvent en général sous les glaces éternelles de l’Arctique, dans les permafrosts de Russie, du Canada, de l’Alaska et dans le fond des océans étant donné qu’il leur faut des températures très basses ou des pressions élevées afin d’être  stables. Les hydrates de gaz sont constitués principalement de méthane (CH4), mais contiennent aussi de l’azote, du dioxyde de carbone et quelques autres gaz à haute densité. Actuellement, des scientifiques étudient les dépôts des hydrates de gaz présents un peu partout sur le globe terrestre car à l’avenir, ils pourraient remplacer le pétrole comme source d’énergie fossile. Le méthane étant toutefois un puissant gaz à effet de serre, aucune méthode d’extraction ne comportant pas de risques considérables pour les océans, l’atmosphère et les hommes n’a encore été trouvée.

Mesurés en fonction de la proportion de carbone qu’ils contiennent, les hydrates de gaz du monde entier représentent le double de tous les autres combustibles fossiles mis ensemble. Toutefois, lors de la combustion, le méthane dégage moins de dioxyde de carbone que le pétrole ou le charbon pour la même production d’énergie.

De nos jours, de plus en plus de chercheurs un peu partout dans le monde s’intéressent aux hydrates de gaz. Quelques pays comme le Japon ont même décidé d’exploiter à l’avenir cette source d’énergie de manière commerciale. En Allemagne également, la recherche sur les hydrates de gaz est devenue une priorité. L’attention des scientifiques allemands se porte toutefois moins sur le potentiel énergétique des hydrates de gaz que sur leur rôle dans le cycle du carbone, leur possible effet sur le climat et les risques découlant de leur extraction et de leur utilisation comme combustible.

Dans le cadre d’une collaboration internationale sans précédent, des stations de mesure en vue d’expériences à long terme ont récemment été installées sur la crête d’une montagne située au large des côtes de l’Etat de l’Orégon (USA) et entièrement composée d’hydrates de gaz. De nouvelles technologies concernant les échantillons et la récente mise au point de chambres de compression et de chambres d’essais permettent désormais d’étudier les hydrates de gaz dans des conditions réelles de pression et de température telles qu’on peut les trouver sur les fonds marins et de les utiliser pour d’autres expériences en laboratoire.

La faculté de Géosciences

L’aspect classique de la cristallographie est constitué par l’analyse de la structure cristalline des différents types de substances et de leurs diverses propriétés physiques, telles que les différentes phases solides de l’eau, c’est-à dire la glace.

Actuellement, la recherche sur les hydrates de gaz représente incontestablement un des points essentiels de la recherche scientifique. En voici deux aspects : détermination des diagrammes de phase et examen des conditions dans lesquelles se forment les hydrates de gaz. On observe par exemple des hydrates de CO2 dans les mêmes conditions de pression et de température que celles rencontrées sur Mars. On calcule également des structures moléculaires sur une base théorique et on en examine les capacités de transformation.

Les méthodes scientifiques utilisées dans la recherche sur les hydrates de gaz sont aussi variées que la spectronomie de masse, la diffractométrie aux rayons X, la spectroscopie Raman, la microscopie AFM, la microscopie électronique à balayage et le pur modelage. La composition et les propriétés d’échantillons d’hydrates de gaz naturels sont analysées et des hydrates sont produits en laboratoire dans des conditions contrôlées à partir de différents gaz. Pour obtenir davantage de renseignements à ce sujet, nous vous conseillons de visiter le site Internet de l’Institut de Cristallographie :

L‘examen de photos obtenues avec un microscope électronique a par exemple permis de découvrir pour la première fois des pores dans les hydrates de gaz. Des matières mésoporeuses bien cristallisées (10–100 nm) n’étaient jusqu’à présent pas connues et ainsi cette découverte encourage les scientifiques à poursuivre d’autres recherches.

Détermination de la surface spécifique des hydrates de gaz

La présence de pores modifie quelques paramètres physiques des hydrates de gaz, tels que la perméabilité, la stabilité et spécialement la réflexion et la transmissibilité des ondes sismiques. Etant donné que l’interprétation de ces derniers paramètres fournira des informations sur la nature des structures géologiques, comme par exemple celle des dépôts d’hydrates de gaz, la fréquence et la composition des pores dans les hydrates de gaz naturels connaît un intérêt croissant dans le monde scientifique.

Un examen supplémentaire de la corrélation directe entre la présence des pores et la taille de la surface des hydrates constitue le sujet d’une étude réalisée dans le cadre d’une thèse qui utilise de manière expérimentale la méthode «BET» afin de déterminer la surface spécifique des hydrates de gaz. Cette méthode portant le nom de ses inventeurs, les physiciens Brunauer, Emmet et Teller consiste à mesurer l’adsorbtion de gaz afin de déterminer la surface spécifique (surface/g) du nombre de molécules de gaz adsorbées sur la surface de l’hydrate soumis à différentes pressions.

Pour maintenir la pression et la température au niveau de stabilité requis pour les hydrates au cours de la mesure et de la procédure de pesage, les échantillons doivent être refroidis à environ –196°C, c’est-à-dire à la température de l’azote liquide sous la pression atmosphérique. Dans ce contexte, il est facile de s’imaginer les difficultés rencontrées lors de la détermination précise de la masse (poids) des échantillons étant donné la grande différence de température entre les échantillons froids et l’environnement typique en laboratoire à cause de la condensation de l’humidité sur le récipient à échantillon. Une autre méthode qui consiste à mesurer les échantillons directement dans de l’azote liquide ne donna pas de résultats satisfaisants.

Pour cette raison, l’Institut de l’Université de Goettingen a recherché une balance de grande qualité capable de fonctionner de manière précise et fiable même dans des conditions très difficiles, comme par exemple des températures extrêmement basses. L’idée était d’effectuer les mesures dans la chambre froide de l’institut (à –10°C et avec une faible humidité relative) afin de déterminer le poids des échantillons. L’instrument de pesage devait conjuguer une grande facilité d’utilisation et une gamme de fonctions la plus vaste possible et en même temps répondre à toutes les exigences très élevées de précision et de fiabilité.

La balance haut de gamme Masterpro LA de Sartorius était l’appareil qui répondait de manière optimale à toutes les attentes de l’institut, et aujourd’hui, ce modèle de balance fonctionne dans la chambre froide de la faculté de Géosciences de Goettingen. Les échantillons sont placés directement sur le plateau de pesée dans un récipient en acier inoxydable qui a été auparavant refroidi dans de l’azote liquide. Grâce à la construction modulaire de la série LA, il est possible d’installer l’unité d’affichage et de commande hors de la chambre froide.

La procédure réalisée dans la chambre froide est la suivante : une fois que l’azote liquide s’est évaporé, il est possible d’obtenir une valeur pondérale stable. Les récipients à échantillons refroidis et tempérés sont pesés à plusieurs reprises afin de déterminer de manière reproductible la différence de poids apparente qui résulte du courant d’air froid ou de l’air plus froid à l’intérieur du récipient. De cette manière, on parvient à maintenir l’erreur de mesure à l’intérieur de la précision de mesure de la balance.

«Nous sommes très satisfaits de cette balance et nous espérons pouvoir effectuer des mesures de surface sur des quantités d’échantillons encore plus petites», nous déclara Andreas Zeller qui rédige actuellement sa thèse sur ce sujet et réalise les expériences à l’Institut de Cristallographie.

Jusqu’à présent, les mesures ont fourni des valeurs de surface entre 0,1 et 1,5 [m2/g] environ, en fonction du degré d’avancement de la formation des hydrates de gaz à partir de glace, ou du degré de réduction de la taille qui résulte de la procédure de préparation de l’échantillon. Ce dernier facteur est particulièrement important car la surface mesurée est inversement proportionnée à la taille moyenne des particules.

La principale tâche dans un proche avenir consistera à perfectionner le modèle d’hydrate poreux et la procédure de préparation des échantillons afin de pouvoir calculer l’effet de la taille des particules sur les valeurs de surface. Une fois que cet objectif sera atteint, il sera possible d’obtenir des données précises sur la porosité (pores/volume total) des mesures de surface des hydrates de gaz naturels ou produits en laboratoire.

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