De telles études sont indispensables aux pôles de recherche consacrés au génie des procédés et technologies, géosciences et astrophysique car une meilleure prise en compte des interactions moléculaires permet de mieux interpréter les comportements macroscopiques observés. Parmi les grands défis scientifiques dans le domaine des hydrates (liste non limitative), des axes transverses ont été identifiés comme prioritaires pour leur apport tant en terme de connaissances fondamentales qu’en terme d’impact pour les développements futurs autour des hydrates. La feuille de route du GdR « hydrates » se décline ainsi autour des objectifs scientifiques suivants:
- Interactions hydrate-‐substrat solide : Dans les conditions naturelles ou industrielles, les hydrates de gaz se forment en interaction avec des substrats inorganiques (comme un minéral hydrophile) ou organiques (substrat hydrophobe), (méso)poreux ou non. Dans le premier cas, ces interactions contrôlent la répartition des hydrates de gaz dans l’espace poral des sédiments, et par conséquent les propriétés macroscopiques (mécaniques et thermiques) des sédiments porteurs d’hydrates de gaz. Dans le deuxième cas, ces interactions ont un impact sur le caractère promoteur ou non des particules solides, le plus souvent mésoporeuses, d’une façon bien constatée empiriquement, mais peu expliquée par des considérations physiques.
- Thermodynamique hors-équilibre et métastabilité : Les hydrates peuvent se former selon des compositions non prédites par les modèles purement thermodynamiques. Les propriétés cinétiques de cristallisation sont à prendre en compte (transferts de chaleurs et de matières). Cette formation hors équilibre peut être utilisée pour améliorer la sélectivité d’un procédé de captage par exemple. De plus, les hydrates peuvent rester métastables après leur formation. Mis à profit sous certaines conditions, ce phénomène d’autopréservation permet de développer des procédés de stockage. A ce jour, l’identification des couplages thermo-‐ cinétiques est une question ouverte, et intéresse les sciences moléculaires (effet mémoire de la nucléation) tout autant que les applications industrielles que les sciences de la terre (déplacement des équilibres lors de l’injection de CO2), ou les sciences de l’univers (équilibre à très basse température et très faible cinétique).
- Taux d’occupation des cages des hydrates de gaz : Les hydrates sont connus pour leur grande capacité à stocker et à sélectivement capter du gaz. Nos connaissances actuelles des paramètres pilotant le taux d’occupation des cages les constituant sont très limitées. Pourtant, c’est un paramètre indispensable pour estimer la capacité de stockage des gaz dans ce matériau, avec des applications évidentes en génie des procédés, géosciences et astrophysique. Nous proposons d’explorer cette voie de recherche avec les outils d’expérimentaux et de modélisation disponibles au sein du GdR.
- Formation en condition aux limites : Les conditions rencontrées dans le cœur des planètes ou encore à la surface de comète diffère de celles rencontrées en environnement naturel ou industriel. La formation des hydrates de gaz dans des conditions de très basse pression (10-‐5-‐ 10-‐7 bar) ou encore très haute pression (GPa) a fait pour l’instant l’objet de très peu d’étude. Outre leur intérêt fondamental pour les sciences moléculaires, les géosciences et l’astrophysique, de telles études dans des conditions aux limites ouvrent de nouvelles perspectives pour les problématiques de stockage de gaz.