25% de l’ensemble du produit intérieur brut des pays industrialisés serait perdu à cause d’un seul problème technique : l’encrassement des surfaces des échangeurs de chaleur par les sels et autres minéraux dissous. Cet encrassement réduit l’efficacité de nombreux processus industriels et nécessite généralement des solutions onéreuses telles que le prétraitement de l’eau. Les découvertes du MIT pourraient déboucher sur une nouvelle façon de réduire cet encrassement, voire même de transformer ce processus délétère en un processus productif susceptible de donner lieu à des produits commercialisables.
Ces résultats sont le fruit d’années de travail de Samantha McBride et Henri-Louis Girard, récemment diplômés du MIT, avec le professeur d’ingénierie mécanique Kripa Varanasi.
Les travaux, publiés dans la revue Science Advances, montrent qu’en raison de la combinaison de surfaces hydrophobes (qui repoussent l’eau) et de la chaleur, les sels dissous peuvent se cristalliser d’une manière qui permet de les retirer facilement de la surface, dans certains cas par simple gravité.
Lorsque les chercheurs ont commencé à étudier la façon dont les sels cristallisent sur de telles surfaces, ils ont constaté que le sel qui précipite forme initialement une coque partiellement sphérique autour d’une gouttelette. De façon inattendue, cette coquille s’élevait alors soudainement sur un ensemble d’extensions en forme de jambes qui se développaient pendant l’évaporation. Ce processus a produit à plusieurs reprises des formes à plusieurs pattes, ressemblant à des éléphants et à d’autres animaux, voire à des droïdes de science-fiction. Les chercheurs ont baptisé ces formations « créatures de cristal » dans le titre de leur article.
Après de nombreuses expériences et une analyse détaillée, l’équipe a déterminé le mécanisme qui produisait ces protubérances. Ils ont également montré comment les protubérances variaient en fonction de la température et de la nature de la surface hydrophobe, qui a été produite en créant un motif nanométrique de crêtes basses.
Les travaux ont été motivés par le désir de limiter ou d’empêcher la formation d’écailles sur les surfaces, y compris à l’intérieur des tuyaux où ces écailles peuvent entraîner des blocages, explique M. Varanasi. « L’expérience de Samantha a montré cet effet intéressant où le tartre se détache presque tout seul« , explique-t-il.
« Ces pieds sont des tubes creux, et le liquide est canalisé vers le bas à travers ces tubes. Lorsqu’il atteint le fond et s’évapore, il forme de nouveaux cristaux qui augmentent continuellement la longueur du tube« , explique M. McBride. « Au final, le contact entre le substrat et le cristal est très, très limité, à tel point que ces derniers vont simplement rouler tout seuls. »
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Mme McBride se souvient qu’en réalisant les premières expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat, « nous nous doutions bien que cette surface particulière fonctionnerait bien pour éliminer l’adhésion du chlorure de sodium, mais nous ne savions pas qu’une conséquence de la prévention de cette adhésion serait l’éjection de l’ensemble » de la surface.
L’une des clés, a-t-elle découvert, était l’échelle exacte des motifs sur la surface. Alors que de nombreuses échelles de longueur de motifs peuvent produire des surfaces hydrophobes, seuls les motifs à l’échelle nanométrique permettent d’obtenir cet effet d’auto-éjection. « Lorsque vous faites évaporer une goutte d’eau salée sur une surface superhydrophobe, les cristaux commencent généralement à pénétrer dans la texture et à former un globe, qui ne se soulève pas« , explique M. McBride. « C’est donc quelque chose de très spécifique concernant la texture et l’échelle de longueur que nous examinons ici qui permet à cet effet de se produire. »
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Ce processus d’auto-éjection, basé simplement sur l’évaporation d’une surface dont la texture peut être facilement produite par gravure, abrasion ou revêtement, pourrait être une aubaine pour une grande variété de processus. Toutes sortes de structures métalliques dans un environnement marin ou exposées à l’eau de mer souffrent d’entartrage et de corrosion. Selon les chercheurs, ces résultats pourraient également permettre de mettre au point de nouvelles méthodes pour étudier les mécanismes d’entartrage et de corrosion.
En variant la quantité de chaleur le long de la surface, il est même possible de faire rouler les formations cristallines dans une direction spécifique, ont constaté les chercheurs. Plus la température est élevée, plus la croissance et le décollage de ces formes sont rapides, ce qui minimise le temps pendant lequel les cristaux bloquent la surface.
Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une grande variété de processus différents, et leur efficacité est fortement affectée par tout encrassement de la surface. Selon M. Varanasi, ces pertes représentent à elles seules un quart de pour cent du PIB des États-Unis et d’autres pays industrialisés. Mais l’encrassement est également un facteur important dans de nombreux autres domaines. Elle affecte les tuyaux des systèmes de distribution d’eau, les puits géothermiques, les exploitations agricoles, les usines de dessalement et divers systèmes d’énergie renouvelable.
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Selon M. Varanasi, cette méthode pourrait même permettre d’utiliser de l’eau salée non traitée dans certains processus où cela ne serait pas possible autrement, comme dans certains systèmes de refroidissement industriels. En outre, dans certaines situations, les sels et autres minéraux récupérés pourraient être des produits commercialisables.
Bien que les premières expériences aient été réalisées avec du chlorure de sodium ordinaire, d’autres types de sels ou de minéraux devraient produire des effets similaires, et les chercheurs continuent d’explorer l’extension de ce processus à d’autres types de solutions.
Selon M. Varanasi, les méthodes de fabrication des textures produisant une surface hydrophobe étant déjà bien développées, la mise en œuvre de ce processus à grande échelle industrielle devrait être relativement rapide et pourrait permettre d’utiliser de l’eau salée ou saumâtre pour des systèmes de refroidissement qui, autrement, nécessiteraient l’utilisation d’eau douce précieuse et souvent limitée. Par exemple, rien qu’aux États-Unis, un trillion de gallons d’eau douce sont utilisés chaque année pour le refroidissement. Une centrale électrique typique de 600 mégawatts consomme environ un milliard de gallons d’eau par an, ce qui pourrait suffire à alimenter 100 000 personnes. Cela signifie que l’utilisation de l’eau de mer pour le refroidissement, lorsque cela est possible, pourrait contribuer à atténuer le problème de la pénurie d’eau douce.
Crédit image : Avec l’aimable autorisation de Kripa Varanasi, Samantha McBride et Henri-Louis Girard, et al.
