Le métal qui vous a apporté des vols pas chers

Cela a rendu possible l'ère des vacances bon marché à l'étranger et, pendant des années, c'est ce qui a rendu la margarine tartinable. Le nickel n'est peut-être pas le métal le plus flashy, mais la vie moderne serait très différente sans lui.

Au plus profond des entrailles de l'University College London se trouve un atelier de machines, où les métaux sont coupés, tournés et façonnés en instruments et équipements pour les différents départements scientifiques.

Le professeur de chimie Andrea Sella se tient devant moi, tenant un tuyau épais de deux mètres de long en Monel, un alliage nickel-cuivre. Puis il la laisse tomber au sol avec un bruit assourdissant.

"Cela témoigne vraiment de la dureté et de la rigidité de ce métal", explique-t-il en ramassant le tuyau en bon état.

Mais une autre raison pour laquelle Monel est un "alliage fantastique", dit-il, est qu'il résiste à la corrosion. Les chimistes ont besoin de moyens de manipuler des matériaux hautement réactifs - des acides puissants peut-être, ou des gaz comme le fluor et le chlore - ils ont donc besoin de quelque chose qui ne réagira pas avec eux.

L'or, l'argent ou le platine pourraient faire l'affaire, mais imaginez le prix d'un tuyau de 2 m de long en or. Le nickel, en revanche, est bon marché et abondant, il apparaît donc partout où la corrosion est un problème - des spatules des chimistes au revêtement protecteur des pignons de vélo.

Mais le nickel peut produire d'autres alliages bien plus bizarres que le Monel, s'empresse d'expliquer Sella.

Prenez l'Invar, un alliage de nickel et de fer. De manière unique, il se dilate ou se contracte à peine avec les changements de température - une propriété très pratique dans les instruments de précision et les horloges, dont le fonctionnement peut être perturbé par la "dilatation thermique" d'autres métaux inférieurs.

Ensuite, il y a le Nitinol.

Sella produit un fil en forme de trombone - mais il est beaucoup trop facile de se déformer pour être utile en tenant des feuilles de papier ensemble. Il le mutile entre ses doigts, puis le plonge dans une tasse d'eau bouillante. Il se tord immédiatement… et redevient un trombone parfait.

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Démonstration de nickel

Le nitinol a une mémoire spéciale pour la forme dans laquelle il est d'abord formé. Et sa composition peut être ajustée, de sorte qu'à une température particulière, il reviendra toujours à sa forme d'origine. Cela signifie, par exemple, qu'un stent Nitinol enroulé peut être inséré dans un vaisseau sanguin. Au fur et à mesure qu'il se réchauffe à la température du corps, le stent s'ouvre, permettant au sang de le traverser.

Mais tous ces alliages ont peu d'importance par rapport à une classe spéciale d'alliages - si spéciaux qu'ils sont appelés "superalliages". Ce sont ces alliages qui ont rendu possible l'ère du jet.

Les premiers moteurs à réaction ont été développés simultanément dans les années 30 et 40, par Frank Whittle au Royaume-Uni et par Hans von Ohain en Allemagne, tous deux opposés dans une course aux armements qui s'accélérait.

Ces moteurs, en acier, présentaient de graves lacunes.

"Ils n'avaient pas la capacité de température pour dépasser environ 500 ° C", explique Mike Hicks, responsable des matériaux chez Rolls-Royce, le plus grand fabricant britannique de turbines à réaction. "Sa résistance diminue assez rapidement et sa résistance à la corrosion n'est pas bonne."

En réponse, l'équipe Rolls-Royce qui a repris le travail de Whittle dans les années 1940 est retournée à la planche à dessin - une avec le tableau périodique épinglé dessus.

Le tungstène était trop lourd. Le cuivre a fondu à une température trop basse. Mais le nickel - avec un peu de chrome mélangé - était la recette de Goldilocks. Il tolérait des températures élevées, il était solide, résistant à la corrosion, bon marché et léger.

Aujourd'hui, les descendants de ces premiers superalliages fournissent encore la majeure partie de l'arrière des turbines - à la fois celles utilisées sur les avions à réaction et celles utilisées dans la production d'électricité.

"Les aubes de turbine doivent fonctionner dans la partie la plus chaude du moteur, et elle tourne à très grande vitesse", explique le collègue de Hicks, Neil Glover, responsable de la recherche sur la technologie des matériaux chez Rolls-Royce.

"Chacune de ces pales extrait la même puissance qu'un moteur de voiture de course de Formule 1, et il y en a 68 au cœur du moteur à turbine à gaz moderne."

Le flux de gaz dans lequel se trouvent ces lames tronquées est de 170°C - environ 200°C au-dessus de la température de fusion de la lame elle-même.

Cet exploit est réalisé grâce à un revêtement en céramique résistant à la chaleur, ainsi qu'à de l'air "de refroidissement" - lui-même d'environ 650C - qui est aspiré plus haut dans le moteur dans la lame creuse, puis saigné sur la surface de la lame via de minuscules trous. .

La capacité des superalliages à fonctionner à des températures aussi extrêmes est ce qui rend vos vacances en Algarve ou en Floride abordables.

"Plus la turbine peut fonctionner à chaud, plus le moteur dans son ensemble est efficace et moins il consomme de carburant", explique Neil.

Mais les lames doivent faire face à plus que des températures extrêmes. Ils tournent si vite que la charge centrifuge sur eux équivaut à plusieurs tonnes.

Ceci, combiné à un chauffage et à un refroidissement réguliers, peut entraîner un problème connu sous le nom de "fluage" - l'aube s'allonge lentement jusqu'à ce qu'elle commence à mordre dans le carter de la turbine.

La plupart des métaux sont constitués d'une myriade de minuscules cristaux, appelés grains, qui sont fusionnés. Mais les joints de grains sont une source de fragilité, permettant aux cristaux de glisser et à la matière de se déformer.

Rolls-Royce traite donc ce problème en créant la lame comme un monocristal - en la faisant pousser à partir d'une fusion en utilisant une solidification directionnelle, semblable aux cristaux de sulfate de cuivre que vous auriez pu faire pousser dans une expérience de chimie à l'école quand vous étiez enfant.

En effet, la lame est comme une pierre précieuse, avec un seul réseau atomique tout au long.

Les alliages ont également été améliorés en ajoutant d'autres éléments - 10 ou plus au total - permettant au concepteur de turbine d'ajuster les propriétés matérielles de chaque composant du moteur.

Et c'est à cause de ces ingrédients d'alliage supplémentaires que l'histoire du moteur à réaction s'avère également être l'histoire d'un autre élément chimique - bien plus énigmatique que le nickel.

Cet élément est le rhénium. L'ajouter au superalliage aide à résister davantage au fluage.

Mais le rhénium se trouve également être l'une des substances les plus rares sur terre. Il ne forme qu'une partie par milliard de la croûte terrestre. L'ensemble de la production mondiale annuelle de rhénium n'est que de 40 tonnes, dont plus des trois quarts sont destinés aux superalliages.

Ainsi, la prochaine fois que vous roulerez sur une piste, vous pourrez remercier le nickel - mais ayez également une pensée pour son obscur cousin, le rhénium.

Mais au début, j'ai mentionné la margarine, et à ce stade, vous vous demandez peut-être ce qu'elle a en commun avec les superalliages et les moteurs à réaction.

La réponse est, pas grand-chose. Les margarines sont fabriquées principalement à partir d'huiles et de graisses végétales. Le fait est que la plupart d'entre eux sont trop liquides pour être étalés sur du pain grillé - et si c'est le cas, le nickel peut être utilisé pour les rendre plus visqueux et "beurrés".

Cela se fait via une réaction chimique appelée hydrogénation, dans laquelle de l'hydrogène est pompé dans les huiles, avec un minuscule morceau de nickel, qui agit comme un catalyseur. Le nickel ne réagit pas avec les huiles, il agit plutôt comme une machine moléculaire, permettant aux huiles de réagir avec l'hydrogène. Les graisses plus riches en hydrogène qui en résultent sont plus épaisses et tartinables.

Alors, devrions-nous aussi remercier le nickel pour la margarine ? Peut etre ou peut etre pas.

Le processus d'hydrogénation peut produire deux types de molécules de graisse - les graisses cis pliées et les graisses trans moins bienvenues et plus droites. Ces gras trans ne sont pas couramment présents dans la nature et ont été associés à des taux de cholestérol élevés ainsi qu'à des maladies cardiaques et à des accidents vasculaires cérébraux. Cela a engendré une évolution vers l'utilisation d'huiles de palme à la place, qui sont naturellement plus épaisses et plus tartinables, en particulier lorsqu'elles sont combinées avec des émulsifiants. Pourtant, cela a ouvert une toute nouvelle boîte de Pandore - la destruction des forêts tropicales pour faire place aux plantations de palmiers à huile.

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