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Comprendre les flammes froides pour rendre les combustions moins polluantes

Une route chargée de voitures.
Et si les flammes froides nous aidaient à limiter la pollution ? G Shan/Unsplash, CC BY-SA

Flammes froides… À quoi peuvent bien servir des flammes, si elles sont froides ? Les flammes froides furent observées pour la première fois par Sir Humphry Davy, un chimiste britannique, en 1817 lorsqu’il chauffa un filament de tungstène dans des vapeurs d’éther diéthylique, voyant alors naître un faible halo bleuté autour du filament. De par leurs caractéristiques très différentes de leurs sœurs jumelles, les flammes chaudes, les flammes froides ont de nombreuses façons de surprendre.

Elles sont, pour commencer, presque invisibles à l’œil nu et uniquement détectables par une faible lueur bleue. Par ailleurs, comme leur nom l’indique, elles ne donnent naissance qu’à une augmentation limitée de la température (moins de 600 °C, contre typiquement plus de 1000 °C pour les flammes chaudes). Par ailleurs, ces flammes froides sont connues depuis le XXe siècle pour leur relation avec le phénomène de cliquetis dans les moteurs à allumage commandé (ou moteurs « essence »). On a pu ainsi s’intéresser à elles pendant de nombreuses années pour des questions liées à la reformulation des carburants liées au retrait du plomb des essences dans les années 1990, ou depuis les années 2000 dans le cadre du développement de moteurs émergents basées sur l’allumage par compression (telles que le moteur SPCCI, commercialisé par Mazda sous le nom de Skyactiv-X).

Par ailleurs, lorsque le 22 septembre 2021 Thomas Pesquet est interrogé par un jeune auditeur de France Inter sur les expériences qu’il a préféré mener sur l’ISS, de quoi parle-t-il en premier ? De flammes froides, bien sûr ! Mais quel est le lien entre les flammes froides et l’ISS ? Celui-ci a été fait lors de récentes expériences menées à l’aide du dispositif FLEX (FLame Extinguishment Experiment), qui vise à s’intéresser à la propagation des flammes en microgravité.

Ces études ont une importance particulière pour réduire les risques liés aux incendies dans les stations et véhicules spatiaux. Or, il a été observé que dans certains cas, alors que l’on croyait les flammes éteintes, des flammes froides se développaient et perpétuaient la combustion. Plusieurs campagnes de mesure ont depuis été entreprises afin d’éclaircir la formation de ces flammes dans ces conditions si particulières, auxquelles Thomas Pesquet a ainsi pu prendre part.

Extinction d’une flamme chaude en microgravité, suivie de l’apparition d’une flamme froide, au sein de l’ISS. NASA, CC BY

Sur notre plancher des vaches, à quoi peuvent-elle servir ? Dans un monde où la combustion constitue encore 80 % de la conversion d’énergie primaire au niveau mondial et où l’électrification risque de se heurter très vite au problème de la disponibilité du lithium et/ou des terres rares, il est plus qu’urgent de faciliter la mise en place de procédés de combustion plus propres. Il faut donc faire face aux trois principales espèces responsables la pollution atmosphérique et du changement climatique : les oxydes d’azote, les particules de suie, et le dioxyde de carbone. Les oxydes d’azote constituent la source principale de l’ozone troposphérique qui provoque asthme et irritations respiratoires, notamment dans les zones urbaines et par beau temps.

Il est bien connu depuis 1946 que la plus grande partie de ces oxydes d’azote est formée dans les zones où les flammes sont les plus chaudes. Les particules de suie, elles, sont aisément éliminées en mettant en œuvre la combustion dans des conditions où le combustible est en défaut (on parle alors de combustion en régime pauvre). Ainsi, initier des flammes à des températures plus faibles, et en excès d’oxygène permet de réaliser une baisse conséquente des émissions polluantes, et également d’atteindre des rendements thermiques élevés, pour peu que la combustion ait lieu à hautes pressions. Hélas, dans ces conditions de haute pression, basse température et faible concentration en combustible, il peut être délicat d’enflammer le mélange de manière régulière et fiable. En cause ? La chimie des flammes froides.

Mais qu’ont-elles de si particulier ? Les flammes froides se distinguent des flammes chaudes par le fait que les réactions chimiques qui en sont à l’origine sont très différentes de celles qui provoquent les flammes chaudes. En effet, ce qui permet à des flammes de se propager, c’est un type de réactions très particulier : les réactions de ramification. Au cœur des toutes les flammes se trouvent des radicaux en très grand nombre. Ces espèces, dotées d’un électron célibataire, sont responsables des premières réactions de consommation du combustible, et agissent tels des porteurs de chaîne dans les mécanismes de réactions en chaîne qui ont lieu dans les flammes. Dans une réaction de ramification, un radical en forme plusieurs, provoquant leur démultiplication.

Pour qu’une flamme se développe, il faut que les réactions de ramification permettent l’augmentation exponentielle de la concentration de ces radicaux. Dans les flammes chaudes, la ramification est le fait d’un petit nombre de réactions très bien connues, et qui sont identiques pour la plupart des combustibles. Dans les flammes froides, la ramification est bien plus complexe : elle passe par une longue série de réactions, et la formation de molécules instables dont la formation n’a été démontrée expérimentalement que très récemment. L’occurrence et la vitesse de ces réactions sont très dépendantes de la structure chimique initiale du combustible. C’est pourquoi la composition d’un carburant a une si grande influence sur son indice d’octane, ou pourquoi tous les combustibles ne donnent pas lieu à des flammes froides.

C’est aussi pourquoi les étudier est si important. Nombre de ses réactions ne peuvent être isolées de leurs congénères, et doivent donc être étudiées ensemble. On construit alors des modèles cinétiques, qui recensent toutes les réactions chimiques intervenant dans la flamme. Ces modèles, couplés à des codes de calcul vont permettre de prédire l’évolution des réactions, mais également le dégagement de chaleur ou la formation de polluants dans une flamme. En fonction de la taille de la molécule de combustible étudiée, ces modèles peuvent parfois comporter plusieurs milliers d’espèces chimiques ! On comparera alors les résultats prédits par les modèles avec une caractérisation expérimentale fine des flammes observées, obtenue à l’aide de diagnostics optiques ou d’analyse chimique. On mesure ainsi les espèces formées dans ces flammes, mais aussi leurs domaines de stabilité, ou leur vitesse de propagation. Ces recherches sont menées à l’heure actuelle dans les universités de Princeton, du Wyoming, ou de Lille.

Flamme froide stabilisée dans un brûleur académique au laboratoire PC2A de l’Université de Lille. Laboratoire PC2A, Université de Lille, Fourni par l'auteur

Comment, alors, faciliter cette combustion et permettre l’application de la combustion dans des conditions plus sévères, synonymes de combustion plus vertueuse vis-à-vis de l’environnement ? On peut chercher à faciliter l’inflammation à l’aide de décharges plasma ou d’ozone généré in situ, et mettre en œuvre la combustion de carburants non-issus de ressources fossiles (comme les biocarburants ou les e-fuels. De nombreux travaux ont déjà démontré le potentiel de telles solutions, et il y a fort à parier qu’elles auront leur place dans le mix énergétique à venir.


Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (qui a lieu du 7 au 17 octobre 2022 en métropole et du 10 au 27 novembre 2022 en outre-mer et à l’international), dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition a pour thème : « Le changement climatique ». Retrouvez tous les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.

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