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Industrie: vers une pyrotechnie moins polluante?

Point de vue

Industrie: vers une pyrotechnie moins polluante?

12.02.2018, par
Pour construire des routes, extraire des minerais ou mettre des satellites en orbite, l'industrie a recours chaque année à d’importantes quantités d'explosifs. Face aux procédés actuels qui dispersent de grandes quantités de plomb dans l’environnement, des chimistes viennent de trouver une alternative bien moins polluante.

On a tendance à l'oublier, mais l’industrie a en permanence recours à des explosifs… et souvent en grandes quantités. Si une centaine de grammes d’explosif suffit en effet au bon fonctionnement des airbags de nos automobiles, des quantités bien plus importantes sont nécessaires pour construire nos habitations (25 kilogrammes par maison), nos écoles (500 kilogrammes par lycée), nos autoroutes (3 500 kilogrammes par kilomètre) ou les fusées (480 tonnes) qui mettent en orbite les satellites grâce auxquels fonctionnent nos GPS1.

Remplacer le plomb

L’amorçage en détonation des charges explosives nécessite des substances pyrotechniques très sensibles, appelées explosifs primaires. Or, les explosifs primaires contiennent du plomb en proportion considérable. Ce métal est dispersé dans l’environnement sous forme de particules fines, par la réaction de l’explosif primaire. Bien que la quantité d’explosif primaire utilisée dans un détonateur soit minime (inférieure à 1 gramme), le nombre de détonateurs employés chaque année dans le monde s’élève à plusieurs millions, ce qui représente finalement une masse de plomb très importante. La persistance du plomb dans l’environnement et sa dispersion par l’explosion à l’état très divisé, accentuent ce problème. Rappelons que le plomb est la cause d’une forme d’intoxication grave, appelée saturnisme, et que l’exposition à ce métal a été corrélée à une augmentation du niveau de violence sociétale.

Le remplacement des explosifs plombés, substances très performantes mais dangereuses pour l’environnement, restait un défi auquel aucune réponse satisfaisante n’avait pu être apportée. Une avancée notable a été réalisée dans ce domaine, grâce aux recherches conduites au laboratoire NS3E2 sur les nanothermites et sur les explosifs nanostructurés.
 

Le recours aux explosifs est fréquent dans le monde industriel. Ici, une explosion contrôlée de dynamite dans une mine à ciel ouvert près d’Owensboro (États-Unis), en 2012.
Le recours aux explosifs est fréquent dans le monde industriel. Ici, une explosion contrôlée de dynamite dans une mine à ciel ouvert près d’Owensboro (États-Unis), en 2012.

Des combustibles d'un genre nouveau

Les thermites sont des substances combustibles, qui sont formées d’aluminium en poudre mélangé à un oxyde métallique ou à un sel métallique oxygéné. Les nanothermites ont la même composition chimique que les thermites, mais leurs constituants sont sous la forme de poudres beaucoup plus fines : la taille de leurs grains est comprise entre le nanomètre et le micromètre. Les nanothermites brûlent bien plus rapidement que les thermites, ce qui leur donne des propriétés semblables à celles des explosifs. Mais à la différence des explosifs, la déflagration des nanothermites donne beaucoup de produits condensés, solides ou liquides. Pour augmenter la proportion de gaz dans les produits de combustion des nanothermites, et rendre leur réaction plus violente, l’idée a été de les mélanger avec un explosif organique, composé uniquement de carbone, d’hydrogène, d’azote et d’oxygène, capable de se gazéifier totalement sous l’action de la chaleur. La réaction de la nanothermite provoque ainsi une combustion très rapide de la nanopoudre d’explosif, qui transite alors en détonation. C’est grâce à ce mécanisme de synergie entre la nanothermite et l’explosif nanostructuré, qu’il est possible de passer de la combustion à la détonation, sans avoir besoin d’utiliser un explosif primaire.

Combustion d’une mousse de nanothermite, observée par vidéo ultrarapide au laboratoire ISL.

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2018

Ces substances d’un nouveau genre ont été dénommées « NSTEX », sigle dérivant de leur dénomination anglaise « NanoStructured Thermite and EXplosive ». Grâce à la puissance de leur détonation, les NSTEX sont capables d’amorcer la détonation d’une charge d’explosif comme la pentrite, l’un des explosifs les plus puissants. Les performances des NSTEX sont comparables, voire supérieures à celles des explosifs primaires. Ils sont en outre beaucoup plus sûrs et leur fonctionnement ne disperse pas de métaux lourds dans l’environnement.

La solution des mousses de nanothermites

Les nanothermites utilisées pour formuler les NSTEX peuvent être des compositions dans lesquelles le carburant est l’aluminium et le comburant un sel oxygéné sans danger du point de vue toxicologique, comme le sulfate de sodium, composant principal des lessives, le sulfate de calcium qui compose le plâtre, ou encore, le phosphate d’aluminium utilisé pour le traitement des douleurs abdominales. De leur côté, les nanopoudres d’explosifs comme l’hexogène ou la pentrite sont produites grâce à une technologie développée au laboratoire NS3E (et baptisée SFE), qui consiste à sécher un aérosol d’une solution d’explosif de manière quasi instantanée par évaporation flash.
 

Résidus de combustion d’une mousse de nanothermites aluminophosphatée (à gauche) ; à droite, vue microscopique d’un produit de combustion de cette même mousse.
Résidus de combustion d’une mousse de nanothermites aluminophosphatée (à gauche) ; à droite, vue microscopique d’un produit de combustion de cette même mousse.

L’ultime verrou technologique à lever pour pouvoir intégrer les NSTEX dans des systèmes pyrotechniques produits à l’échelle industrielle est de passer de la poudre à l’objet poreux. En effet, la poudre libre se tasse très facilement sous l’effet des chocs et des vibrations, ce qui a pour effet d’empêcher la transition de la déflagration à la détonation. Or, un cap important a été franchi en 2017, grâce à la mise au point d’un procédé à la fois simple et élégant permettant de transformer la poudre de nanothermite en un objet solide extrêmement poreux : les mousses de nanothermites. Cette technique a fait l’objet d’une publication3  en mai 2017 dans la revue Chemical Engineering Journal et d’un film diffusé en décembre 2017 dans la revue Journal of Visualized Experiments4.

Pas à pas, les travaux dans ce domaine offrira bientôt à l’industrie de la pyrotechnie la possibilité de se mettre en conformité avec la réglementation européenne Reach bannissant l’usage des sels de plomb, constituant ainsi une avancée pour la protection de l’environnement.

Les points de vue, les opinions et les analyses publiés dans cette rubrique n’engagent que leur auteur. Ils ne sauraient constituer une quelconque position du CNRS.

Notes
  • 1. Source : bulletin L’Espolette, n° 151, 4e trimestre 2014.
  • 2. Laboratoire Nanomatériaux pour les systèmes sous sollicitations extrêmes (CNRS/Université de Strasbourg/ISL).
  • 3. Nanothermite foams : From nanopowder to object, Marc Comet, Cédric Martin, Fabien Schnell & Denis Spitzer, Chemical Engineering Journal 6 février 2017, http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.009
  • 4. Cédric Martin, Marc Comet, Fabien Schnell, Denis Spitzer, Journal of Visualized Experiments 24 décembre 2017, http://dx.doi.org/10.3791/56479

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