Laboratoires et équipes impliqués
· LPCNO (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets), équipes « Nanostructures et Chimie Organométallique » et « Nanomagnétisme », Toulouse.
· GET (Géosciences Environnement Toulouse), Toulouse.
· GeM (Institut de recherche en Génie Civil et Mécanique), Nantes Université, École Centrale Nantes.
Contexte
Il devient nécessaire de développer des alternatives aux énergies fossiles, qui contribuent fortement au réchauffement climatique et ne constituent de toute façon pas des solutions technologiques de long terme pour nos sociétés, en raison de leur inévitable épuisement. La principale source d’énergie renouvelable et abondante est l’énergie solaire, dont il faut réussir à optimiser l’utilisation tout en minimisant les impacts environnementaux et sociétaux.
Ce stage propose de se focaliser sur un procédé emblématique et central de notre société moderne : la métallurgie. La réduction de l’oxyde de fer en fer métallique par le charbon est le procédé qui a été à l’origine de la révolution industrielle, et n’a pratiquement pas évolué en 300 ans, pour la raison suivante: à la fois source de chaleur, réducteur, et source de carbone, le charbon permet de réduire l’oxyde de fer, de chauffer le réacteur, et de convertir le fer en fonte, qui devient liquide et quitte le réacteur (haut-fourneau) ; ce procédé peut être mis en œuvre à très grande échelle sans problème technologique majeur, et son succès industriel repose sur l’utilisation d’un charbon bon marché malgré ses impacts environnementaux et sociétaux considérables. Il n’y a actuellement pas d’alternative industrielle décarbonée à ce procédé. L’utilisation de charbon de bois est bien entendu possible, mais son utilisation massive induit de la déforestation et n’est donc pas compatible avec une production à large échelle. De même, l’expansion du procédé de réduction directe au dihydrogène se heurte à la problématique de la production décarbonée de H2.
Le LPCNO a récemment montré qu’il est possible de s’affranchir complètement du charbon et du carbone dans le procédé en utilisant le solaire à concentration comme source de chaleur et en utilisant le dihydrogène et l’ammoniac en tant que réducteurs. Ces résultats ont été obtenus sur de la poudre d’oxyde de fer pur, ainsi que sur des boulettes d’oxyde de fer utilisées dans l’industrie sidérurgique.
Objectifs du stage de master
L’objectif principal de ce stage est de poursuivre les recherches sur la métallurgie solaire en effectuant des expériences sur de véritables minerais de fer issus de gisements situés en France. Ces échantillons ont été obtenus par une collaboration avec des géologues du laboratoire GET (Toulouse). Il s’agira d’analyser la composition du matériau initial et celui obtenu à la fin du procédé, et d’étudier comment la nature du minerai initial influe sur la composition et les propriétés du fer obtenu à la fin du procédé. Dans un souci d’exploiter au mieux la puissance du flux solaire concentré, nous explorerons aussi l’influence de la morphologie des échantillons, notamment le rapport surface exposée sur volume et la porosité. Cela nécessitera de mettre au point un procédé de fabrication de plaquette 2D à partir du minerai brut. Toutes les expériences seront réalisées au LPCNO, en utilisant un réacteur chauffé par un simulateur solaire. Les matériaux produits seront analysés par diffraction de rayons X et microscopie optique. Le laboratoire GeM, avec lequel nous collaborons, effectuera une cartographie chimique des échantillons fabriqués.
Profil du candidat et conditions
Nous recherchons un.e physicien.ne ou chimiste aimant le travail expérimental. Des étudiant·es avec d’autres formations initiales et motivé·s par cette thématique peuvent néanmoins postuler. Le stage fera l’objet d’une gratification d’environ 600 € par mois et pourra débuter au 1er Février.
Contacts : Julian Carrey et Sébastien Lachaize