Production de carburants durables à l’aide de films de savon et de la lumière du soleil
L’énergie solaire est probablement la source d’énergie alternative la plus prometteuse pour remplacer les combustibles fossiles nocifs, mais son stockage est actuellement inefficace. La meilleure façon de la stocker est de le faire dans des combustibles solaires. La photosynthèse artificielle est une imitation synthétique des processus photosynthétiques des plantes et permet de créer des carburants solaires à partir de la lumière du soleil, de l’eau et du dioxyde de carbone. Les scientifiques du monde entier sont à la recherche de nouveaux matériaux pour réaliser la photosynthèse artificielle de manière efficace et à grande échelle. Dans le cadre du projet SoFiA financé par l’UE, des chercheurs ont mis au point une approche innovante utilisant des films de savon. Les bulles spécialement conçues sont remplies de dioxyde de carbone qui, lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, est conçu pour créer des carburants solaires et des matières premières pour l’industrie chimique. Le projet et le réacteur ont été conçus par le gestionnaire de projet de SoFiA, Indraneel Sen, fondateur de Wasabi Innovations. Pendant 54 mois, les concepts ont été testés, les fondements scientifiques ont été établis et des démonstrateurs d’ingénierie et des simulations de modélisation ont été créés dans le cadre d’un processus d’apprentissage collaboratif intense impliquant neuf organisations partenaires. «Le projet a été très fructueux, tant sur le plan scientifique que technique», déclare Leif Hammarström, professeur au département de chimie de l’université d’Uppsala, en Suède, et coordinateur du projet SoFiA.
Imiter les structures végétales
La photosynthèse chez les plantes et les cellules solaires artificielles absorbent toutes deux la lumière du soleil et utilisent cette énergie pour séparer les électrons (charges positves) et les «trous» (charges négatives dues aux électrons manquants). Lors de la photosynthèse, les électrons sont transférés d’une molécule à l’autre, ce qui crée un état chargé à haute énergie. Par une chaîne de réactions, l’énergie des électrons permet de créer des composés riches en énergie à partir du dioxyde de carbone. De nouveaux électrons sont introduits dans le système lorsque l’eau est oxydée dans l’oxygène. «Chez les plantes, cela produit des composés tels que les sucres, mais dans la photosynthèse artificielle, nous visons un carburant liquide, tel qu’un alcool, ou un gaz de synthèse pour l’industrie», explique Leif Hammarström. Le principal défi de la photosynthèse artificielle est d’éviter la «recombinaison» des charges à partir de l’état de charge à haute énergie: c’est un peu comme si l’on court-circuitait une batterie. La membrane photosynthétique des plantes vertes sépare les «électrons» et les «trous» pour éviter ce phénomène. «Notre idée était qu’un film de savon pourrait fonctionner de manière analogue», ajoute Leif Hammarström. Prenons deux bulles: l’une contient les molécules qui fabriquent le carburant, l’autre les molécules qui récupèrent les nouveaux électrons de l’eau. Le film entre les paires de bulles associées agit comme une membrane séparatrice de gaz qui permet aux électrons et aux protons de circuler.
Faire progresser la science fondamentale
Dans le cadre de ce projet, l’équipe a mis au point plusieurs solutions techniques pour étudier la structure et la fonction fondamentales des interfaces air-eau et des films de savon. Les chercheurs ont également mis en évidence des trains de paires de bulles bien organisés et auto-régénérés. «Nous avons pu démontrer qu’il est possible de fabriquer et de maintenir un film de savon asymétrique pendant au moins 10 minutes, ce qui est suffisant pour un aller-retour dans notre appareil», explique Leif Hammarström. «Nous avons également fabriqué et testé un dispositif assez sophistiqué qui génère un flux continu de bulles, s’écoulant côte à côte comme un train de paires de bulles». Bien que l’équipe n’ait pas réussi à démontrer une photosynthèse artificielle complète dans les dispositifs, l’analyse du projet a fourni aux scientifiques une voie claire pour en faire une technologie viable. L’équipe est maintenant à la recherche de fonds pour résoudre certains des problèmes fondamentaux mis au jour par le projet.
Mots‑clés
SoFiA, artificielle, photosynthèse, bulle, énergie, solaire, stocker
