La création d’alliages à grande vitesse pourrait révolutionner l’avenir de l’hydrogène

La création d'alliages à grande vitesse pourrait révolutionner l'avenir de l'hydrogène

Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et des collaborateurs internationaux ont utilisé des approches informatiques, y compris des modèles d’apprentissage automatique explicables, pour élucider de nouveaux alliages à haute entropie dotés de propriétés attrayantes de stockage d’hydrogène et de synthèse et validation directes en laboratoire. Crédit : Matthew Witman

Une équipe de scientifiques des matériaux et d’informaticiens de Sandia National Laboratories, avec quelques collaborateurs internationaux, a passé plus d’un an à créer 12 nouveaux alliages – et à en modéliser des centaines d’autres – qui démontrent comment l’apprentissage automatique peut aider à accélérer l’avenir de l’énergie hydrogène en le rendant plus facile pour créer une infrastructure hydrogène pour les consommateurs.

Vitalie Stavila, Mark Allendorf, Matthew Witman et Sapan Agarwal font partie de l’équipe Sandia qui a publié un article détaillant son approche en collaboration avec des chercheurs du laboratoire Ångström en Suède et de l’Université de Nottingham au Royaume-Uni.

« Il existe une riche histoire dans la recherche sur le stockage de l’hydrogène et une base de données de valeurs thermodynamiques décrivant les interactions de l’hydrogène avec différents matériaux », a déclaré Witman. « Avec cette base de données existante, un assortiment d’outils d’apprentissage automatique et d’autres outils de calcul, ainsi que des capacités expérimentales de pointe, nous avons réuni un groupe de collaboration international pour unir nos forces dans cet effort. Nous avons démontré que les techniques d’apprentissage automatique pouvaient effectivement modéliser le la physique et la chimie des phénomènes complexes qui se produisent lorsque l’hydrogène interagit avec les métaux. »

Avoir une capacité de modélisation basée sur les données pour prédire les propriétés thermodynamiques peut rapidement augmenter la vitesse de la recherche. En fait, une fois construits et formés, ces modèles d’apprentissage automatique ne prennent que quelques secondes à exécuter et peuvent donc rapidement cribler de nouveaux espaces chimiques : dans ce cas 600 matériaux prometteurs pour le stockage et la transmission de l’hydrogène.

« Cela a été accompli en seulement 18 mois », a déclaré Allendorf. « Sans l’apprentissage automatique, cela aurait pu prendre plusieurs années. C’est énorme si l’on considère qu’historiquement, il faut environ 20 ans pour faire passer un matériau de la découverte en laboratoire à la commercialisation. »

Potentiel pour changer le stockage d’énergie de l’hydrogène

L’équipe a également trouvé quelque chose d’autre dans leur travail : des résultats qui ont des implications dramatiques pour la production d’hydrogène à petite échelle dans les stations-service de piles à combustible à hydrogène.

« Ces hydrures d’alliage à haute entropie pourraient permettre une compression en cascade naturelle de l’hydrogène lorsqu’il se déplace à travers les différents matériaux », a déclaré Stavila, ajoutant que la compression de l’hydrogène se fait traditionnellement par un processus mécanique.

Il décrit la construction d’un réservoir de stockage avec plusieurs couches de ces différents alliages. Au fur et à mesure que l’hydrogène est pompé dans le réservoir, la première couche comprime le gaz lorsqu’il se déplace à travers le matériau. La deuxième couche le comprime encore plus et ainsi de suite à travers toutes les couches d’alliages différents, rendant naturellement l’hydrogène utilisable dans les moteurs qui produisent de l’électricité.

L’hydrogène produit dans des conditions atmosphériques au niveau de la mer a une pression d’environ 1 bar, l’unité métrique de pression. Pour que l’hydrogène propulse un véhicule ou un autre moteur à partir d’une pile à combustible, il doit être pressurisé – comprimé – à une pression beaucoup plus élevée. Par exemple, l’hydrogène dans une station de recharge de piles à combustible doit avoir une pression de 800 bars ou plus pour qu’il puisse être distribué sous forme d’hydrogène à 700 bars dans les véhicules à hydrogène à pile à combustible.

« Au fur et à mesure que l’hydrogène se déplace à travers ces couches, il est de plus en plus pressurisé sans effort mécanique », a expliqué Stavila. « Vous pourriez théoriquement pomper 1 bar d’hydrogène et obtenir 800 bar, la pression nécessaire pour les stations de recharge d’hydrogène. »

L’équipe affine toujours le modèle, mais comme la base de données est déjà publique par l’intermédiaire du ministère de l’Énergie, une fois la méthode mieux comprise, l’utilisation de l’apprentissage automatique pourrait conduire à des percées dans une myriade de domaines, y compris la science des matériaux, a déclaré Agarwal.


Qu’arrive-t-il à un réservoir d’hydrogène lors d’une collision?


Plus d’information:
Matthew Witman et al, Data-Driven Discovery and Synthesis of High Entropy Alloy Hydrures with Targeted Thermodynamic Stability, Chimie des Matériaux (2021). DOI : 10.1021/acs.chemmater.1c00647

Fourni par les laboratoires nationaux Sandia

Citation: La création d’alliages à grande vitesse pourrait révolutionner l’avenir de l’hydrogène (2021, 20 septembre) récupéré le 20 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-high-speed-alloy-creation-revolutionize-hydrogen.html

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