Matériaux pour l'énergie (2IM)
Ce thème est lié aux secteurs de l'énergie et des transports, pour lesquels l'UPSaclay et son environnement immédiat constituent le siège d'une collaboration entre un très grand nombre d'acteurs.
7Il s’agit notamment des composantes « STEM » (sciences, technologies, ingénierie et mathématiques) de l’université, telles que les facultés des sciences d’Orsay, d’Évry et de Versailles, mais aussi des écoles d’ingénieurs CentraleSupelec et ENS Paris-Saclay, ainsi que, surtout, des centres Paris-Saclay et DAM Île-de-France du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives / Commission française de l’énergie atomique et des énergies alternatives (CEA), le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), ainsi que l’Office national d’études et de recherche aérospatiale (ONERA). Parmi les voisins immédiats, on trouve le centre de recherche d’Électricité de France (EDFLab) et l’Institut du Photovoltaïque Français (IPVF) (une coentreprise entre Air Liquide, le CNRS, EDF, Horiba, l’Institut Polytechnique de Paris, le RIBER et Total). L’ensemble du spectre des énergies décarbonées et renouvelables est donc représenté au sein de ce pôle. Répondre aux exigences d’aujourd’hui et de demain en matière de matériaux durables et intelligents pour le secteur de l’énergie est donc ancré dans le projet 2IM. Le secteur des transports est représenté notamment par la présence régionale de PSA, Renault, Safran, SECA, Senior Calorstat, de nombreux sous-traitants de l’industrie ferroviaire, ainsi que par l’Institut Vedecom (http://www.vedecom.fr/) pour les véhicules autonomes et décarbonés.
Pour les applications dans le domaine de l'énergie nucléaire, différentes classes de matériaux sont identifiées, et cela concerne à la fois l'énergie de fission et l'énergie de fusion. Il s'agit notamment des combustibles nucléaires et des matrices de transmutation, des matrices d'immobilisation nucléaire, des matériaux de structure, couvrant les solides inorganiques (céramiques, oxydes et alliages métalliques) mais aussi le carbone. La tolérance aux rayonnements est un facteur clé pour la conception de nouveaux matériaux. Le vieillissement dû aux dommages causés par les rayonnements, les interactions chimiques liées à l’effet d’éléments étrangers (fluage et ségrégation), ainsi que les évolutions microstructurales et structurelles à différentes échelles, allant de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique, posent de nombreux défis, qui peuvent être relevés à l’aide d’outils avancés de caractérisation in situ couplés à des installations d’irradiation, de caractérisation in situ et de modélisation informatique.
Les défis posés dans le contexte des sources d'énergie renouvelables à faible émission de carbone, telles que les cellules photovoltaïques et les batteries à haute densité énergétique, où les matériaux en jeu sont le silicium, les éléments III-V, les pérovskites hybrides, l'hydrogène interstitiel, etc., sont abordés de manière similaire. Ici, les études environnementales, in situ et operando, ainsi que la modélisation, sont essentielles pour comprendre l'altération et le vieillissement, car le matériau est soumis à un très grand nombre de cycles de charge.
La question de la récupération d'énergie à partir de sources environnementales telles que la chaleur, les vibrations mécaniques et les champs magnétiques est également abordée. Les matériaux thermoélectriques, triboélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques, électrocaloriques ou magnétiques permettent des technologies prometteuses actuellement en cours de développement dans le monde entier, par exemple pour des dispositifs autonomes sans fil.
Les matériaux destinés au secteur de l'énergie comprennent également de nouvelles familles de matériaux architecturés présentant une hiérarchie microstructurale à plusieurs échelles. Les matériaux cellulaires architecturés offrent un grand potentiel tant pour l'absorption d'énergie et le développement durable que pour les applications embarquées, car ils allient légèreté et propriétés supérieures (tant mécaniques que fonctionnelles). Les matériaux structurés (ou métamatériaux) rivalisent avec la plupart des matériaux conventionnels dans les secteurs des transports et de l'énergie grâce à l'interaction entre leur architecture à l'échelle mésoscopique et leur microstructure ou nanostructure. La prolifération des matériaux structurés est rendue possible par les progrès rapides et conjoints des méthodes de calcul (désormais très robustes) et des technologies de fabrication additive, qui ont désormais atteint leur maturité même pour les métaux et les céramiques.
