Les gens pensent souvent à « mettre la foudre dans une bouteille » comme une métaphore fantastique, mais imaginent rarement ce qui pourrait être fait ensuite si cela était réellement fait. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université Northwestern ont non seulement « piégé la foudre » dans leur laboratoire, mais ils l'utilisent également pour créer un carburant plus propre, le méthanol. Ils utilisent du plasma contenu dans des tubes de verre pour convertir directement le méthane en méthanol, réduisant ainsi considérablement la dépendance des processus traditionnels à l'énergie et aux conditions de travail extrêmes.
Le méthanol est un produit chimique de base aux utilisations très diverses. C'est une matière première importante pour certains plastiques et acides, et peut être utilisée comme carburant propre pour les automobiles, les navires et les cuisinières. Il est également largement utilisé dans les solvants industriels et le traitement des eaux usées. Cependant, la voie principale actuelle de production de méthanol dans l'industrie est extrêmement consommatrice d'énergie et complexe, et le point de départ est également le méthane. Dans le processus traditionnel, le méthane est d'abord craqué en dioxyde de carbone et en hydrogène dans de la vapeur d'eau à haute température, à environ 800 degrés Celsius, puis recombiné par une réaction catalytique pour générer des molécules de méthanol dans un autre appareil à une pression élevée d'environ 200 à 300 atmosphères. Bien que la technologie de cette voie soit mature, le maintien d’une température et d’une pression aussi élevées consomme beaucoup d’énergie et émet une grande quantité de dioxyde de carbone, ce qui va à l’encontre des exigences de plus en plus strictes en matière de réduction des émissions.
La communauté scientifique recherche une alternative plus simple et moins gourmande en énergie, mais la production de méthanol elle-même présente un autre niveau de difficulté. Il n’est certainement pas facile de décomposer le méthane dans des conditions difficiles. Même si le méthanol est produit avec succès, les molécules de méthanol elles-mêmes sont extrêmement réactives et peuvent facilement continuer à réagir et être davantage oxydées en dioxyde de carbone. Cela signifie que le processus doit non seulement « décomposer » le méthane, mais aussi « appuyer sur les freins » au bon moment pour terminer le processus de réaction à temps, ce qui n'est pas facile à réaliser en ingénierie.
En réponse à ces deux défis clés, l'équipe de l'Université Northwestern a proposé un nouveau système que l'on peut appeler « l'éclair dans une bouteille ». Au lieu de s'appuyer sur des températures et des pressions extrêmes, les chercheurs utilisent de courtes impulsions électriques à haute énergie dans un réacteur rempli d'eau pour créer du plasma - un état de matière à haute énergie similaire à la foudre - dans un tube de verre. À l'intérieur du réacteur, le méthane passe dans un tube de verre poreux et la surface de la paroi du tube est chargée d'un catalyseur à base d'oxyde de cuivre ; lorsqu'une impulsion électrique à haute tension est appliquée, le gaz dans le tube est instantanément converti en plasma, provoquant la rupture simultanée des molécules de méthane et d'eau pour former des fragments hautement réactifs.
Ces fragments se recombineront en très peu de temps pour former du méthanol, et l'eau du réacteur « dissoudra » immédiatement le méthanol généré. L'équipe de recherche a souligné que cette absorption rapide est cruciale, ce qui équivaut à « geler » la réaction à un nœud idéal pour empêcher le méthanol de continuer à être oxydé en dioxyde de carbone, contournant fondamentalement le problème de réaction excessive inévitable dans les processus traditionnels.
Pour améliorer encore l’efficacité, l’équipe a également introduit du gaz argon dans le système. L'argon est chimiquement extrêmement inerte dans des conditions normales, mais dans un environnement plasma, il participe à des réactions qui aident à stabiliser le processus de décharge et à supprimer les réactions secondaires indésirables. Dans ces conditions de fonctionnement, la sélectivité du système en méthanol est considérablement améliorée, tout en produisant également une petite quantité de sous-produits précieux, tels que l'hydrogène et l'éthylène.
Dayne Swearer, co-auteur de l'article, a déclaré qu'en plus du méthanol, le système produisait également de l'éthylène et de l'hydrogène, ainsi qu'une petite quantité de propane, qui sont eux-mêmes des produits chimiques ou des carburants de plus grande valeur. L’éthylène est un monomère précurseur important pour la production de plastiques, et l’hydrogène est un produit chimique de base essentiel et un carburant sans carbone. Il a souligné : "Nous avons utilisé une très grande quantité de méthane en échange de méthanol, d'éthylène, d'hydrogène et d'une petite quantité de propane. Ces produits eux-mêmes ont une plus grande valeur économique."
Globalement, cette technologie est considérée comme une avancée importante dans le domaine de la production de méthanol. Premièrement, il élimine fondamentalement le besoin de températures et de pressions extrêmes, réduisant ainsi considérablement les coûts de production, la consommation d’énergie et l’empreinte environnementale. Deuxièmement, le nouveau procédé compresse le processus original complexe et en plusieurs étapes en une réaction approximative en une seule étape : le méthane est directement converti en méthanol dans le même système, tout en minimisant les sous-produits inutiles ou nocifs.
À l'heure actuelle, ce dispositif « éclair dans une bouteille » est encore à l'échelle du laboratoire, mais s'il peut être étendu avec succès à l'avenir, il devrait permettre de réaliser un système distribué pour la conversion du méthane sur site. Les chercheurs envisagent que de tels dispositifs pourraient être déployés dans des endroits éloignés ou dans des endroits présentant des fuites de méthane pour convertir directement ce gaz à effet de serre abondant mais très efficace en produits chimiques industriels précieux. Sweller a souligné que la méthode conventionnelle actuelle pour traiter les fuites de méthane consiste à l'enflammer sur place et à convertir le méthane en dioxyde de carbone. Même si l’effet de serre est légèrement inférieur à celui du méthane, il aggravera néanmoins le réchauffement climatique. Et si le petit réacteur est envoyé directement à la source de la fuite, le méthane qui aurait été directement brûlé pourra être transformé en combustible liquide transportable.
Ensuite, l’équipe continuera à optimiser les performances du système et à explorer comment récupérer et séparer efficacement les produits méthanoliques de haute pureté. Les résultats de recherche pertinents ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society.