Liquides ioniques énergétiques

Le début du xxi ^e siècle est particulièrement intéressant dans le domaine de l’énergie. En effet, la pollution et l’effet de serre additionnel dûs à la combustion de combustibles fossiles conduisent à la recherche de nouveaux carburants qui sont plus séduisants d’un point de vue environnemental et, si possible, d’un point de vue énergétique (efficacité énergétique). Ces nouveaux carburants ne sont pas totalement « verts », mais ils parent, au moins partiellement, à certains des inconvénients des carburants et combustibles actuels. Ce souci écologique ne se limite pas aux carburants automobiles et aéronautiques, mais s’étend à tous les carburants et combustibles, y compris les carburants spatiaux. Les perspectives de « reconquête » de la Lune à moyen terme par les Américains, les Russes, les Chinois, les Indiens et par les Européens et la conquête de Mars, à long terme, rendent les développements potentiels décrits dans cet article extrêmement intéressants. L’une des combinaisons bipropulsives (diergoliques) les plus utilisées pour la propulsion des satellites et des missions interplanétaires, la monométhylhydrazine (MMH)/tétroxyde d’azote (NTO), relève également de cette thématique. Ces combustible (MMH) et comburant (NTO) sont embarqués à l’état liquide (on parle d’ergols liquides stockables), mais leurs pressions de vapeur sont élevées, et ils sont toxiques et cancérogènes. En outre, parce que la MMH a une enthalpie de formation positive, elle est capable d’entretenir une flamme dite de simple décomposition, et ce carburant est donc potentiellement inflammable, voire « explosif », même en l’absence d’un oxydant. De plus, la compatibilité de la MMH est faible avec de nombreux matériaux sur lesquels elle se décompose exothermiquement assez rapidement, tandis que le NTO est corrosif pour certains matériaux. Il ressort clairement des faits ci-dessus qu’il existe de nombreux arguments qui peuvent inciter à la recherche d’un carburant capable de remplacer la MMH. Le remplacement du tétroxyde d’azote NTO est également probablement d’intérêt, mais cette question est moins cruciale. Le NTO en tant que tel n’est pas inflammable et peut être remplacé par de l’acide nitrique ou par d’autres oxydants liquides si nécessaire. Parmi les alternatives proposées pour remplacer la MMH on trouve les liquides ioniques, qui présentent une faible pression de vapeur à température ambiante, ce qui constitue un avantage par rapport à la MMH. Cependant, la principale caractéristique intéressante de la combinaison bipropulsive MMH/NTO est que MMH et NTO forment des mélanges dits hypergoliques, c’est-à-dire capables de s’auto-enflammer par simple contact à température ambiante. Cette particularité est intéressante pour la propulsion des satellites puisqu’ainsi aucun dispositif externe (étincelle électrique par exemple) n’est nécessaire pour enflammer le mélange MMH/NTO. La perspective d’enflammer hypergoliquement les liquides ioniques (IL) exige une compréhension détaillée des voies chimiques sous-jacentes et des mécanismes de réaction impliqués lorsque les liquides ioniques sont mis en œuvre avec NTO ou tout oxydant approprié (acide nitrique fumant rouge (RFNA pour Red Fuming Nitric Acid), acide nitrique fumant blanc (WFNA pour White Fuming Nitric Acid) parmi les plus fréquemment mis en œuvre). La perspective de développer des liquides ioniques hypergoliques comme option appropriée pour les applications de propulsion spatiale nécessite des données thermodynamiques et des données cinétiques de réactivité en phase gazeuse, voire en phase liquide. La littérature ne présente que quelques articles sur ces sujets, la plupart étant consacrés à la synthèse de ces liquides ioniques, sujet qui n’est pas sans intérêt au demeurant. Par conséquent, la chimie d’allumage et la chimie de combustion de ces liquides ioniques restent largement inconnues. Il en va de même pour l’allumage hypergolique des liquides ioniques avec des oxydants tels que NTO, RFNA, WFNA ou le peroxyde d’hydrogène (HP pour Hydrogen Peroxide) même si la faisabilité de telles combinaisons hypergoliques est exposée dans la littérature. Dans cet article sont présentées des données de base concernant les liquides ioniques, tels que leurs propriétés physico-chimiques, leurs stabilités thermiques, etc. Les liquides ioniques considérés, dans certaines sections de cet article, ne sont pas tous des liquides ioniques énergétiques (EIL pour Energetic Ionic Liquids), même si les tendances observées avec les liquides ioniques non énergétiques peuvent également être intéressantes pour les liquides ioniques énergétiques. Les données sur d’autres sujets d’intérêt (décomposition thermique par exemple) sont rares, mais le nombre d’articles intéressants concernant l’utilisation de liquides ioniques pour des applications énergétiques augmente chaque année. Smiglak et al. (2007) recensent les domaines d’intérêt pour les liquides ioniques et déterminent qu’environ 8 000 études ont été publiées à leur sujet. Seulement environ une vingtaine d’articles sur ces 8 000 étaient significatifs pour le travail présenté dans cet article.