Une machine à remonter le temps vers l’état le plus stable

Quel est le point commun entre une météorite martienne datant des débuts de notre système solaire, du ciment respectueux du climat et du lithium extrait des eaux géothermales profondes? Tous ces systèmes peuvent être modélisés avec le même logiciel: GEMS.

GEMS est l’acronyme de Gibbs Energy Minimisation Software, ce qui en français signifie «logiciel permettant de minimiser l’énergie de Gibbs». Il a été initié il y a plus de 30 ans au PSI et son développement se poursuit continuellement depuis. Aujourd’hui, l’application a de nombreux utilisateurs en Suisse et dans le monde entier; des milliers de publications dans les disciplines les plus diverses s’appuient sur ses calculs et les bases de données afférentes. Un nouveau consortium national vient d’être fondé. Il réunit des scientifiques du PSI, de l’ETH Zurich, de l’Empa, de l’Université de Berne, de l’EPFL et de la Nagra, et garantit que désormais le logiciel continuera, à l’avenir également, d’être développé, entretenu et financé de manière conjointe.

Météorite martienne, ciment vert et lithium des eaux géothermales profondes

Des systèmes qui, a priori, n’ont pas grand-chose à voir les uns avec les autres, sont gouvernés par la même loi chimique: l’énergie de Gibbs. Une grandeur quelque peu abstraite, mais fondamentale en thermodynamique. George-Dan Miron, du Centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires au PSI, est l’initiateur du consortium et un développeur de longue date de GEMS. Il explique cette grandeur thermodynamique à l’aide d’une image tirée de la vie quotidienne: «L’énergie de Gibbs se comporte comme un système de prix, dit-il. Dans la nature, tout se conforme à ce système: les gaz, les liquides, les solides. Dès qu’ils interagissent, ils sont soumis à des fluctuations de prix. L’état avec le prix le plus bas est le plus stable, et c’est précisément celui que nous voulons calculer avec GEMS.»

Il s’agit donc de comprendre comment des éléments chimiques se répartissent sur différentes phases lorsqu’un système atteint son équilibre thermodynamique – l’état où le prix est le plus bas – et quels sont les paramètres qui déterminent cet état final. En analysant une météorite martienne, par exemple, des scientifiques de l’Université de Berne ont découvert un minéral qui était inconnu dans la nature jusque-là. Afin de reconstituer les conditions dans lesquelles ces phases exotiques sont apparues dans l’environnement chaud et riche en gaz des débuts de notre système solaire primitif, les scientifiques ont utilisé GEMS. Comme une machine virtuelle à remonter le temps, le logiciel permet de reconstituer les conditions de température et de pression qui ont entraîné jadis la formation de ce minéral.

Dans le cadre du développement de nouvelles formulations de ciment peu émettrices de CO₂, étudiées au PSI, mais aussi à l’Empa et à l’EPFL, GEMS joue également un rôle central. Le logiciel simule les phases minérales qui apparaissent lors de la solidification du ciment, leur stabilité et l’interaction du matériau avec son environnement. Les scientifiques peuvent ainsi tester virtuellement des centaines de formulations avant de procéder aux mélanges en laboratoire, ce qui constitue un avantage considérable dans un secteur qui génère environ 8 % des émissions mondiales de CO₂ et où chaque formulation plus respectueuse du climat compte.

Autre exemple d’application: le lithium, ce métal léger que l’on retrouve dans toutes les batteries modernes. Il est extrait avant tout en Australie et en Amérique latine, parfois avec des méthodes très critiquées en raison de leur forte consommation d’eau. En Suisse et en Europe, on mène des recherches intensives pour extraire du lithium et d’autres éléments rares des eaux géothermales profondes. Avec GEMS, des scientifiques de l’Université de Berne planifient une nouvelle étude pour calculer comment, suivant les conditions, la composition chimique de ces fluides change et quels sont les processus qui permettraient une extraction ciblée du lithium.

GEMS est unique

Ces trois exemples montrent à quel point la palette d’utilisation actuelle de GEMS est large: elle va de la planétologie à la géochimie, en passant par la recherche sur le ciment. Cependant, au PSI, le logiciel est empreint d’un questionnement beaucoup plus spécifique: la question de savoir comment les matériaux d’un dépôt géologique en couches profondes se modifient au cours de dizaines de milliers, voire de centaines de milliers d’années. Pour le projet suisse de stockage définitif de déchets radioactifs, les scientifiques devaient comprendre comment l’acier, le béton, l’eau et les roches interagissent sur le plan chimique et l’évolution de ces interactions sur de vastes périodes géologiques.

Lorsqu’à la fin des années 1980 des ordinateurs personnels performants ont été disponibles pour la recherche, Dmitrii Kulik, géochimiste au PSI, s’est mis à développer de manière systématique le prototype d’un instrument de modélisation géochimique. Ce chercheur a structuré les travaux initiaux, puis affiné les concepts sous-jacents. Il a ensuite développé GEMS avec ses collègues pour en faire un puissant logiciel de modélisation thermodynamique qui a rapidement grandi et est devenu toujours plus performant.

En parallèle, des scientifiques du PSI ont mené de nombreuses expériences, notamment au Laboratoire chaud, en étroite collaboration avec la Société coopérative nationale pour le stockage des déchets radioactifs (Nagra). Ils y ont étudié comment les radionucléides réagissent au contact de roches naturelles comme l’argile à Opalinus, du béton et d’autres matériaux, la manière dont ils se déplacent à travers ceux-ci et, ce faisant, quelles sont les nouvelles phases minérales qui apparaissent. Chaque expérience fournit des données d’entrée supplémentaires pour les modélisations basées sur GEMS et permet de reproduire avec précision des processus dans les conditions les plus diverses, qui sont pertinentes pour les dépôts en couches géologiques profondes.

Au fil des ans, un ensemble considérable de données expérimentales, de bases de données thermodynamiques complètes et d’une multitude de modèles a été constitué. Cela fait de GEMS un instrument unique au monde à ce jour.

Un consortium pour l’avenir de GEMS

Mais la success story de GEMS ne doit pas faire oublier les défis auxquels il est confronté: avec chaque nouveau domaine d’application, avec chaque nouvelle étude publiée et avec chaque nouveau modèle, les coûts liés à la maintenance, à la modernisation et à la mise à jour du logiciel augmentent.

En fondant le nouveau consortium national, les institutions participantes disposent désormais d’un instrument qui permet de se répartir cette responsabilité et de s’occuper conjointement du développement, de la maintenance et du financement du logiciel. Depuis que Dmitrii Kulik est parti à la retraite, George-Dan Miron a repris la direction scientifique du projet: «GEMS doit rester un logiciel open source de pointe qui aide les scientifiques du monde entier, toutes disciplines confondues, et qui continue à évoluer», souligne-t-il.

Texte: Institut Paul Scherrer PSI/Benjamin A. Senn

Contact

Dr. George-Dan Miron
PSI Center for Nuclear Engineering and Sciences
Institut Paul Scherrer PSI

+41 56 310 24 32
dan.miron@psi.ch
[anglais]

Informations supplémentaire

https://gems.web.psi.ch/

Texte original: https://www.psi.ch/fr/news/psi-stories/une-machine-a-remonter-le-temps-vers-l-etat-le-plus-stable