Le professeur Timothy Noël et ses collègues du groupe Flow Chemistry de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam ont développé un mini-réacteur solaire autonome entièrement opérationnel qui offre le potentiel pour la production de produits chimiques fins dans des endroits éloignés sur Terre, et peut-être même sur Mars. Dans un article publié par ChemSusChem , l'équipe présente son unique, système de photochimie entièrement hors réseau.

Le nouveau système, qui est capable de synthétiser des médicaments et autres produits chimiques dans des volumes économiquement pertinents, « brille dans les milieux isolés et permet la décentralisation de la production de chimie fine, " selon le professeur Noël. " La mini-usine est basée sur le concept de la photochimie, en utilisant la lumière du soleil pour « alimenter » directement la synthèse chimique. Nous employons un photocatalyseur, une espèce chimique qui pilote la synthèse lorsqu'elle est éclairée, " Noël continue. " Normalement, des LED puissantes ou d'autres équipements d'éclairage sont utilisés pour l'éclairage, mais nous choisissons d'utiliser la lumière du soleil. Pour commencer, cela rend la synthèse pleinement durable. Mais il permet également un fonctionnement autonome dans des sites distants. Notre rêve est de voir notre système utilisé sur une base sur la Lune ou sur Mars, où des systèmes autonomes sont nécessaires pour fournir de l'énergie, nourriture et médicaments. Notre mini-usine pourrait y contribuer de manière totalement autonome, manière indépendante."

Un réacteur à flux solaire

Le développement de la mini-usine a commencé il y a environ cinq ans lorsque le groupe de recherche Noël, basé à l'époque à l'Université de technologie d'Eindhoven, a développé un "concentrateur solaire". Il s'agit essentiellement d'une feuille de plastique transparent avec des canaux de taille micrométrique dans lesquels la synthèse chimique a lieu. En ajoutant des colorants dédiés, les chercheurs ont développé le plastique dans un guide solaire et un convertisseur luminescent. Il capte la lumière du soleil et la dirige vers les canaux, tout en convertissant une partie substantielle de la lumière en photons rouges qui entraînent la conversion chimique.

L'étape suivante consistait à transformer le concentrateur en un réacteur à flux entièrement opérationnel. "Cela signifie que nous pompons un mélange réactionnel de matières premières et de photocatalyseur à travers les canaux éclairés par le soleil, " dit Noël. " La conversion chimique souhaitée s'effectue dans ces canaux afin qu'ils soient, En réalité, notre alternative aux flacons ou récipients de synthèse chimique traditionnels. » Noël poursuit en expliquant que même si les canaux sont assez petits, un tel "réacteur à flux" peut produire des sorties tout à fait pertinentes puisqu'il fonctionne du lever au coucher du soleil de manière continue. "Quoi de plus, " il ajoute, « l'utilisation de canaux permet un couplage beaucoup plus efficace entre la lumière et la chimie que ce qui est possible lors de l'utilisation de réacteurs à ballon traditionnels. »

Efficacité maximale

Le groupe de recherche Noël avait déjà démontré le concept de réacteur à flux solaire en synthétisant une gamme de molécules pertinentes en médecine, bien qu'à l'échelle du laboratoire dans un environnement contrôlé. Maintenant, dans leur récent article en ChemSusChem , ils décrivent comment ils ont développé un système de photosynthèse autonome d'une efficacité optimale et l'a utilisé dans des tests sur le terrain. Ils fournissent également un aperçu sur des aspects tels que le potentiel d'application et les performances économiques.

Le prototype de réacteur à flux solaire couvre désormais une superficie d'environ 0,25 mètre carré. Pour le rendre totalement autonome, les chercheurs l'ont équipé d'une cellule solaire qui alimente les auxiliaires tels que les pompes et le système de contrôle. Cette cellule solaire est placée derrière le réacteur à flux dans une configuration empilée qui assure une efficacité maximale par centimètre carré, selon Noël. "Les longueurs d'onde les plus énergétiques sont utilisées dans le réacteur pour piloter le photocatalyseur. Les photons restants avec des longueurs d'onde de 600 à 1100 nm sont convertis en électricité pour piloter les auxiliaires."

Potentiel d'application mondial

Le prototype entièrement autonome utilise également un système de contrôle réactif qui peut optimiser la conversion chimique à diverses intensités lumineuses. "Quand un nuage recouvre le soleil, la conversion chimique diminue normalement très rapidement, " dit Noël. " Notre système est capable de faire les ajustements nécessaires en temps réel. Les tests sur le terrain ont confirmé qu'il est capable de produire des produits chimiques à un taux constant, même les jours à la fois ensoleillés et nuageux. des comparaisons ont été faites à l'aide de données solaires sur des sites en Norvège (Cap Nord), Espagne (Almeria) et Australie (Townsville). Noël :« Même au Cap Nord, avec relativement peu d'énergie solaire, nous estimons des chiffres de production satisfaisants."

Les chercheurs ont également comparé les performances du système prototype avec les chiffres de production de la synthèse photochimique bien connue de l'oxyde de rose. Ce produit pour la parfumerie est fabriqué industriellement par voie photochimique car il est plus propre et plus efficace que la synthèse chimique traditionnelle. Les chercheurs ont calculé qu'une surface étonnamment petite serait nécessaire pour que leur système réponde à la demande annuelle actuelle - seulement 150 m ² suffirait. Noël : « Ce n'est qu'un toit d'usine rempli de nos mini-usines ! Le coût du système serait similaire à celui des systèmes de photosynthèse commerciaux actuels. Mais nous n'avons besoin que d'énergie solaire, donc il n'y a pas de dépenses énergétiques. production de produits chimiques tels que l'oxyde de rose ou de produits pharmaceutiques.

Que les murs fabriquent des produits chimiques

Noël estime que les recherches de son groupe réfutent tout scepticisme quant au potentiel de la technologie chimique solaire :« Nous démontrons qu'il existe des opportunités pour la production chimique solaire même ici aux Pays-Bas. Vous n'êtes pas obligé d'aller au Qatar ! Quoi de plus, le système se prête à une application dans des endroits inattendus. « Vous pourriez même couvrir la façade d'un bâtiment. Bien sûr, le rendement serait alors plus faible que lorsque le système est placé à un angle optimal par rapport au soleil. Mais c'est certainement possible - et à quel point ce serait cool d'avoir les murs chimiques!"