Les expériences menées dans le cadre de SwissFEL doivent aider à comprendre exactement l’interaction et la transformation des substances dans une réaction. Une importance particulière sera accordée aux réactions catalytiques qui ont d’innombrables applications. La recherche ouvrira la voie à de nouveaux procédés industriels orientés sur l’économie d’énergie et à des sources d’énergie respectueuses de l’environnement.
Les illustrations montrent les détails de la première étape de la photosynthèse artificielle. Les molécules d’eau (H2O) se combinent avec la surface du catalyseur et peuvent ensuite être décomposées.
En premier, ce sont les atomes d’hydrogène qui sont dissociés. Ils se regroupent en molécules de H2. Les atomes résiduels forment alors les molécules d’oxygène O2.
Dans la nature les substances ne cessent de se transformer, elles se décomposent, d’autres apparaissent. L’industrie chimique produit d’innombrables substances tels que les carburants, matière plastiques, médicaments ou engrais qui sont devenues des éléments essentiels de notre vie quotidienne. Pourtant, même si ces processus de fabrication sont utilisés avec succès depuis des décennies, ils ne sont souvent pas compris dans le détail. Dans la pratique cela signifie que ces réactions ne peuvent être utilisées avec un maximum d ‘efficacité – la consommation d’énergie est inutilement élevée car seule une partie des substances de base est transformée ou les quantités de déchets sont considérables.
Trop petit et trop rapide pour les anciens processus
Les processus liés à une réaction chimique sont infiniment rapides: même s’il faut des millièmes de secondes jusqu’à ce que le produit fini ait pu être obtenu à partir des matières premières, les différents mouvements des molécules et des atomes ne durent eux que quelques femtosecondes. Et même si des expériences astucieuses permettent déjà de découvrir en partie de quelle manière les atomes se combinent brièvement – le passage d’une étape intermédiaire à un autre reste méconnu. Grâce à SwissFEL cela va changer : ses flash sont tellement brefs que les éléments de la molécule ont à peine le temps de se déplacer, et comme ceux-ci sont de type rayons X, il est également possible de localiser les atomes. Ainsi on peut « photographier » les mouvements des particules impliquées dans une réaction chimique – comme lorsqu’on photographie un sportif dans son mouvement avec un temps d’exposition très court de l’appareil photos.
Améliorer les processus connus – en développer des nouveaux
Les réactions catalytiques constitueront l’un des thèmes centraux des recherches consacrées aux processus chimiques de SwissFEL. Celles-ci jouent un grand rôle dans l’industrie chimique – environ 80% de tous les produits chimiques sont produits à l’aide de telles réactions. D’où l’intérêt de mieux les comprendre et de mieux les gérer car cela signifie plus d’efficacité et des économies d’énergie considérables. Un exemple classique pour une telle réaction catalytique est la synthèse de l’ammoniac qui constitue les bases de la fabrication des engrais artificiels.
Avec SwissFEL la recherche doit permettre de développer des processus novateurs qui reposent sur les réactions catalytiques. Un mot-clé étant la „photosynthèse artificielle“, ce procédé est destiné à fabriquer, grâce à l’énergie solaire, du méthane ou du méthanol à partir du dioxyde de carbone et de l’eau – Ils pourraient être utilisés comme base pour des produits chimiques et des carburants. Ce procédé permet également de réutiliser immédiatement le dioxyde de carbone résultant de la combustion, pour la production d’un nouveau combustible. Avec l’utilisation de tels combustibles, la quantité de CO2 dans l’atmosphère n’augmente pas. Actuellement les procédés ne sont pas encore assez rentables pour être industrialisés – Les expériences SwissFEL doivent ouvrir la voie à des solutions plus efficaces.
Transformation assistée de la matière – Réactions catalytiques
La particularité d’une réaction catalytique est qu’au delà des substances transformées, le catalyseur a également son rôle à jouer. Certes il n’est pas consommé, mais il est indispensable si la réaction doit être efficace et performante. Ainsi il se peut que l’on ait besoin de beaucoup d’énergie, pour rompre les liaisons atomiques des molécules impliquées. Par contre s’il y a liaison de molécules avec un catalyseur – souvent avec la surface de particules métalliques d’une taille de quelques nanomètres – les combinaisons constituées à l’intérieur de la molécule seront nettement plus faibles et plus faciles à séparer. Le bon fonctionnement dépend essentiellement de la conception et des propriétés d’un catalyseur. Les travaux au SwissFEL aideront à comprendre, comment un catalyseur doit être conçu pour optimiser les effets des différentes réactions.