Pourrait-on fabriquer des voitures avec des résidus de pétrole ?

Pourrait-on fabriquer des voitures avec des résidus de pétrole ?

Alors que le monde s’efforce d’améliorer l’efficacité des voitures et autres véhicules afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d’améliorer l’autonomie des véhicules électriques, la recherche de matériaux toujours plus légers et suffisamment solides pour être utilisés dans les carrosseries des voitures est en cours.

Les matériaux légers en fibre de carbone, similaires au matériau utilisé pour certaines raquettes de tennis et vélos, combinent une résistance exceptionnelle avec un faible poids, mais ils ont été plus coûteux à produire que des éléments structurels comparables en acier ou en aluminium. Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont trouvé un moyen de fabriquer ces fibres légères à partir d’une matière première ultra bon marché : les déchets lourds et visqueux laissés par le raffinage du pétrole, matériau que les raffineries fournissent aujourd’hui pour des applications à faible valeur telles que asphalte, ou éventuellement traiter comme un déchet.

Non seulement la nouvelle fibre de carbone est bon marché à fabriquer, mais elle offre des avantages par rapport aux matériaux traditionnels en fibre de carbone car elle peut avoir une résistance à la compression, ce qui signifie qu’elle pourrait être utilisée pour des applications porteuses. Le nouveau processus est décrit dans le journal Avancées scientifiquesdans un article de l’étudiante diplômée Asmita Jana, du chercheur scientifique Nicola Ferralis, du professeur Jeffrey Grossman et de cinq autres personnes du MIT, du Western Research Institute du Wyoming et du Oak Ridge National Laboratory du Tennessee.

La recherche a commencé il y a environ quatre ans en réponse à une demande du ministère de l’Énergie, qui cherchait des moyens de rendre les voitures plus efficaces et de réduire la consommation de carburant en réduisant leur poids total. “Si vous regardez le même modèle de voiture aujourd’hui, par rapport à il y a 30 ans, il est nettement plus lourd”, déclare Ferralis. “Le poids des voitures a augmenté de plus de 15% dans la même catégorie.”

Une voiture plus lourde nécessite un moteur plus gros, des freins plus puissants, etc., de sorte que la réduction du poids de la carrosserie ou d’autres composants a un effet d’entraînement qui produit des économies de poids supplémentaires. Le DOE fait pression pour le développement de matériaux de structure légers qui correspondent à la sécurité des panneaux d’acier conventionnels d’aujourd’hui, mais qui peuvent également être fabriqués à un prix suffisamment bas pour potentiellement remplacer complètement l’acier dans les véhicules standard.

Les composites fabriqués à partir de fibres de carbone ne sont pas une idée nouvelle, mais jusqu’à présent dans le monde automobile, ils n’ont été utilisés que dans quelques modèles très coûteux. La nouvelle recherche vise à inverser la tendance en fournissant un matériau de départ à faible coût et des méthodes de traitement relativement simples.







La poudre de brai de goudron de houille fondue dans un liquide visqueux, est filée en fibres de carbone à travers un système d’extrusion à filament unique, et elles sont collectées sur un rouleau via un enrouleur. Installation de prototypage de spinner à l’échelle du laboratoire. Crédit : Logan Kearney, Laboratoire national d’Oak Ridge Amit Naskar, Laboratoire national d’Oak Ridge

Les fibres de carbone de la qualité requise pour une utilisation automobile coûtent actuellement au moins 10 à 12 dollars la livre, selon Ferralis, et “peuvent coûter bien plus”, jusqu’à des centaines de dollars la livre pour des applications spécialisées telles que les composants d’engins spatiaux. Cela se compare à environ 75 cents la livre pour l’acier, ou 2 $ pour l’aluminium, bien que ces prix fluctuent considérablement et que les matériaux dépendent souvent de sources étrangères. À ces prix, dit-il, fabriquer une camionnette en fibre de carbone au lieu d’acier doublerait à peu près le coût.

Ces fibres sont généralement fabriquées à partir de polymères (tels que le polyacrilonitrile) dérivés du pétrole, mais en utilisant une étape intermédiaire coûteuse de polymérisation des composés carbonés. Le coût du polymère peut représenter plus de 60 % du coût total de la fibre finale, explique Ferralis. Au lieu d’utiliser un produit pétrolier raffiné et transformé pour commencer, la nouvelle approche de l’équipe utilise ce qui est essentiellement la lie laissée après le processus de raffinage, un matériau connu sous le nom de brai de pétrole. “C’est ce que nous appelons parfois le fond du baril”, explique Ferralis.

“Le terrain est incroyablement désordonné”, dit-il. C’est un méli-mélo d’hydrocarbures lourds mélangés, et “c’est en fait ce qui le rend beau d’une certaine manière, car il y a tellement de chimie qui peut être exploitée. Cela en fait un matériau fascinant pour commencer.”

Il est inutile pour la combustion – bien qu’il puisse brûler, c’est un carburant trop sale pour être pratique, et cela est particulièrement vrai avec le resserrement des réglementations environnementales. “Il y en a tellement”, dit-il, “la valeur intrinsèque de ces produits est très faible, alors ils sont souvent enfouis.” Une autre source de brai, que l’équipe a également testée, est le brai de houille, un matériau similaire qui est un sous-produit du charbon à coke, utilisé par exemple pour la production d’acier. Ce processus produit environ 80 % de coke et 20 % de brai de charbon, « ce qui est essentiellement un déchet », dit-il.

Travaillant en collaboration avec des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge, qui possédaient l’expertise dans la fabrication de fibres de carbone dans diverses conditions, de l’échelle du laboratoire à l’échelle de l’usine pilote, l’équipe s’est efforcée de trouver des moyens de prédire les performances afin pour guider le choix des conditions de ces expériences de fabrication.

“Le processus dont vous avez besoin pour fabriquer une fibre de carbone [from pitch] est en fait extrêmement minime, à la fois en termes de besoins énergétiques et en termes de traitement réel que vous devez effectuer », déclare Ferralis.







La poudre de brai de goudron de houille fondue dans un liquide visqueux, est filée en fibres de carbone à travers un système d’extrusion à filament unique, et elles sont collectées sur un rouleau via un enrouleur. Cône industriel à l’échelle pilote. Crédit : Logan Kearney, Laboratoire national d’Oak Ridge Amit Naskar, Laboratoire national d’Oak Ridge

Jana explique que la poix est “faite de ces ensembles hétérogènes de molécules, où l’on s’attendrait à ce que si vous changez la forme ou la taille, vous vous attendriez à ce que les propriétés changent radicalement”, alors qu’un matériau industriel doit avoir des propriétés très cohérentes.

En modélisant soigneusement la manière dont les liaisons se forment et se réticulent entre les molécules constitutives, Jana a pu développer un moyen de prédire comment un ensemble donné de conditions de traitement affecterait les propriétés de la fibre résultante. “Nous avons pu reproduire les résultats avec une précision surprenante”, dit-elle, “au point que les entreprises pouvaient prendre ces graphiques et être en mesure de prédire” des caractéristiques telles que la densité et le module d’élasticité des fibres.

Les travaux ont produit des résultats montrant qu’en ajustant les conditions de départ, il était possible de fabriquer des fibres de carbone non seulement résistantes à la tension, comme la plupart de ces fibres, mais également résistantes à la compression, ce qui signifie qu’elles pourraient potentiellement être utilisées dans des applications porteuses. Cela ouvre des possibilités entièrement nouvelles pour l’utilité de ces matériaux, disent-ils.

L’appel du DOE était pour des projets visant à ramener le coût des matériaux légers en dessous de 5 $ la livre, mais l’équipe du MIT estime que leur méthode peut faire mieux que cela, atteignant quelque chose comme 3 $ la livre, bien qu’ils n’aient pas encore fait une étude économique détaillée. Analyse.

“La nouvelle route que nous développons n’est pas seulement un effet de coût”, déclare Ferralis. “Cela pourrait ouvrir de nouvelles applications, et il n’est pas nécessaire que ce soit des véhicules.” Une partie de la complication de la fabrication de composites de fibres conventionnels est que les fibres doivent être transformées en un tissu et disposées selon des motifs précis et détaillés. La raison en est, dit-il, “de compenser le manque de résistance à la compression”. C’est une question d’ingénierie pour surmonter les lacunes du matériau, dit-il, mais avec le nouveau procédé, toute cette complexité supplémentaire ne serait pas nécessaire.

L’équipe de recherche comprenait Taishan Zhu et Yanming Wang du MIT, Jeramie Adams de la Western Reserve University et Logan Kearney et Amit Naskar du Oak Ridge National Laboratory.


Des chercheurs trouvent une nouvelle façon de lancer le processus de fabrication de la fibre de carbone


Plus d’information:
Asmita Jana et al, Atomes aux fibres : identification de nouvelles méthodes de traitement dans la synthèse de fibres de carbone à base de brai, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn1905. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1905

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Pourrait-on fabriquer des voitures avec des résidus de pétrole ? (18 mars 2022) récupéré le 18 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-cars-petroleum-residue.html

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