La photosynthèse, qu’elle soit naturelle ou artificielle, comme source d’énergie

L'énergie solaire est la source d'énergie primordiale sur Terre. Sa transformation fournit l'énergie chimique assurant le développement de la très grande majorité des êtres vivants. Les énergies fossiles – pétrole, gaz, charbon – n'en sont ainsi que des produits dérivés. La récupération, la transformation et le stockage de l'énergie solaire de manière efficace présente un défi de taille mais serait la réponse idéale aux besoins énergétiques actuels. Les systèmes photovoltaïques permettent de récupérer cette énergie et de la transformer en électricité. Mais cette dernière forme d'énergie présente le l'inconvénient d'être difficile à stocker.

Les processus chimiques naturels ont depuis longtemps maîtrisé l'énergie solaire au travers du processus de photosynthèse. L'idéal serait de récupérer directement l'énergie produite par photosynthèse à l'intérieur des végétaux. Ou alors, il faudrait pouvoir copier ce processus que des milliards d'années d'évolution ont perfectionné afin de pouvoir convertir l'énergie solaire en énergie chimique, sous forme d'hydrogène, plus simple à stocker que l'électricité.


Récupérer l'énergie à la source

Dans le processus de photosynthèse, l'énergie solaire est utilisée pour décomposer l'eau et produit des molécules de dioxygène, des protons et des électrons. Pour produire un courant électrique, il s'agit alors de récupérer les électrons produits par la réaction. C'est ce qu'une équipe de Stanford University a réussi à faire à l'aide de nano-électrodes d'or [1]. Une nano-électrode est piquée à l'intérieur d'une cellule d'algue. L'exercice consiste, d'une part, à créer une électrode assez petite pour être introduite dans une cellule et, d'autre part, à perforer la cellule et à maintenir l'électrode en place sans entrainer la mort de l'algue. Une fois en place, cette électrode a permis de capter directement les électrons produits au sein des usines énergétiques des cellules végétales que sont les chloroplastes.

Cependant l'exercice ne s'est déroulé que sur une cellule unique et le courant obtenu est extrêmement faible : un picoampère. Pour être efficace, il faudrait pouvoir améliorer la récupération des électrons au sein des cellules et multiplier le nombre de cellules asservies par environ mille milliards. Sans oublier qu'il se pourrait que ce " vol d'énergie " soit aussi à l'origine de la mort prématurée des cellules. Les auteurs sont pourtant confiants. Ils estiment que cette méthode permettrait de produire potentiellement plus d'énergie à partir des plantes que via la combustion. Si ces résultats mettent en évidence la possibilité de récupérer l'énergie directement à la source, d'autres chercheurs se proposent de mimer les structures naturelles afin de reproduire le processus de photosynthèse.

Reproduire artificiellement les structures
L'évolution a produit des structures qui rendent le processus de photosynthèse très efficace : pourquoi ne pas les copier ? Dans une feuille, les différentes structures ont pour but de guider l'énergie solaire vers les chloroplastes où elle sera transformée, en assurant un excellent rendement. Le développement des nanotechnologies permet aujourd'hui d'avoir une approche bottom-up de la construction de ces structures, c'est-à-dire de jouer aux légos avec la matière et de construire, morceau par morceau, la structure. Les méthodes d'imagerie et de caractérisation permettent d'obtenir les plans. L'avantage que possède le chercheur est qu'il peut choisir les matériaux qu'il utilise alors que les matériaux biologiques existent en variété limitée.

Dans une première tentative de production d'une feuille artificielle inorganique, des chercheurs chinois ont injecté de l'oxyde de titane dans la feuille d'une plante, se servant de la feuille comme d'un moule. Ils ont ainsi obtenu une structure huit fois plus productive en hydrogène qu'avec la même quantité de dioxyde de titane non mis en forme. En recouvrant la feuille de platine, ils ont multiplié la productivité de la structure par 10. Ces résultats ont été présentés en mars dernier au 239ème National Meeting de l'American Chemical Society qui se tenait à San Francisco. Copier la structure entière peut sembler être un bon moyen de copier le processus permettant de récupérer l'hydrogène qui alimentera les piles à combustibles. Cependant, il est aussi envisagé de reproduire uniquement le processus chimique de décomposition de la molécule d'eau.

Copier les mécanismes chimiques
Une équipe du Massachussetts Institute of Technology (MIT) a proposé une nouvelle méthode pour réaliser la dissociation de la molécule d'eau en utilisant l'énergie solaire. Ils ont ainsi reproduit la réaction ayant lieu lors de la photosynthèse sans utiliser les mêmes matériaux que ceux utilisés dans la nature. Quoique. Ils se sont en effet servis d'un virus sur lequel sont capables de se fixer des matériaux catalytiques (l'oxyde d'iridium) et des pigments biologiques. Le tout est ensuite inclus dans une matrice de micro-gel créant un enchevêtrement permettant d'assurer le déroulement de la réaction. Les pigments captent l'énergie lumineuse, les catalyseurs assurent la réalisation de la réaction. Le virus sert d'échafaudage maintenant les composants de la structure et assure aussi les transferts d'énergie tel un câble [2].

Cependant, cette structure ne permet pour le moment que d'assurer la partie la moins intéressante de la réaction : la production de dioxygène via l'oxydation de la molécule d'eau. Il reste à faire évoluer la structure afin d'assurer la recombinaison du proton et de l'électron produits pour obtenir les atomes d'hydrogène. Un autre inconvénient de la structure est lié au coût de l'iridium. Pour envisager une application industrielle, il sera nécessaire de trouver un autre catalyseur moins cher.

Un domaine en plein boom
Si ces travaux de recherche paraissent quelque peu originaux, de nombreux groupes travaillent pourtant sur le sujet. Il y a un peu plus d'un mois, le programme Sun Catalytix [3] avait fait sensation notamment en promettant de fournir l’équivalent en électricité de la consommation d’une maison (30kw/h) grâce à une bouteille d’eau. Depuis le projet est soutenu par l’ARPA-E à hauteur de $4 millions [4]. La technologie utilisée est basée sur un nouveau catalyseur découvert dans un laboratoire du MIT dirigé par Daniel Nocera. Ses recherches se concentrent sur l'emploi d'éléments abondants sur Terre pour générer de l'hydrogène et de l'oxygène grâce à de l'eau douce ou de l'eau de mer propre. Selon les propos utilisés par l'ARPA-E cette technologie fournit une méthode versatile, bon marché, efficace, évolutive pour un stockage des énergies renouvelables. Le système devrait coûter le dixième du prix des systèmes conventionnels. Les cellules photo-électrochimiques seraient également capables de convertir la lumière du soleil et de l'eau en hydrogène pour de la production de carburants synthétiques.

De même, le projet Helios [5] est une initiative dont le but est de développer les énergies issues du solaire au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en collaboration avec l'UC Berkeley. Le but premier de cet effort est le stockage d'énergie issue du solaire. Les scientifiques se concentrent sur plusieurs approches comme la génération de biocarburant à partir de la biomasse ou des algues et la conversion directe de l'eau et du CO2 en fuel grâce aux rayons lumineux. Cette dernière est particulièrement intéressante puisqu'elle reproduit ce que les chercheurs appellent " la photosynthèse artificielle ". Pour parvenir à cet objectif, les chercheurs reproduisent le processus de photosynthèse en utilisant des matériaux avancés et de nouvelles molécules. La lumière est ainsi collectée par des éléments photovoltaïques puis utilisée en vue de former des réactions chimiques afin de créer du carburant uniquement à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Les chercheurs attendent de ce procédé une efficacité supérieure à celle obtenue par la photosynthèse naturelle.

Les structures naturelles proposent des solutions aux problématiques actuelles, notamment dans le domaine de l'énergie. Les capacités d'analyses, de compréhension et de reproduction des structures et réactions observées à l'échelle moléculaire ont atteint une maturité suffisante pour ouvrir de nouvelles perspectives. L'intensité des recherches menées afin de maitriser la photosynthèse en est l'exemple.

[1] Ryu et al., Nano Lett., 2010, 10 (4), pp 1137-1143 (04/03/2010) DOI: 10.1021/nl903141j : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XhoPx
[2] Nam et al., Nature Nanotechnology, (11 April 2010) doi:10.1038/nnano.2010.57 : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/TjFSw
[3] Le site officiel de Sun Catalytix : http://www.suncatalytix.com/about.html
[4] Description du projet sur le site du ARPA-e : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/Wxqbf
[5] Le site officiel du projet HELIOS : http://www.lbl.gov/msd/helios_site/index_helios.html

Stanford researchers find electrical current stemming from plants, G. Dickey, Standford News, 13/04/2010 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/yq1OP

Blueprint for "artificial leaf" mimics Mother Nature, M. Bernstein, ACS News, 25/03/2010 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XXVkB

Viruses harnessed to split water, D. Chandler, MIT News Office, 12/04/2010 – http://web.mit.edu/newsoffice/2010/belcher-water-0412.html

Source : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/63130.htm

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