La plupart des technologies d'énergie renouvelable dépendent des conditions météorologiques. Les parcs éoliens ne peuvent fonctionner que lorsqu'il y a une brise, et les centrales solaires dépendent de la lumière du soleil. Des chercheurs de l'EPFL travaillent sur une méthode pour capter une source d'énergie disponible en permanence dans les estuaires des rivières :la puissance osmotique, également connu sous le nom d'énergie bleue.

L'osmose est un processus naturel par lequel les molécules migrent d'une solution concentrée à une solution plus diluée à travers une membrane semi-perméable afin d'équilibrer les concentrations. Aux estuaires des rivières, les ions de sel chargés électriquement se déplacent de l'eau de mer salée vers l'eau douce de la rivière. L'idée est d'exploiter ce phénomène pour générer de l'énergie.

Des chercheurs du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique (LBEN) de l'EPFL, qui est dirigée par le professeur Aleksandra Radenovic à l'École d'ingénieurs, ont montré que la production d'électricité par osmose pouvait être optimisée grâce à la lumière. Reproduire les conditions qui se produisent dans les estuaires, ils ont mis en lumière un système combinant l'eau, du sel et une membrane de seulement trois atomes d'épaisseur pour générer plus d'électricité. Sous l'effet de la lumière, le système produit deux fois plus d'énergie que dans l'obscurité. Leurs conclusions ont été publiées dans Joule .

Dans un article de 2016, une équipe du LBEN a montré pour la première fois que les membranes 2D représentaient une révolution potentielle dans la production d'énergie osmotique. Mais à l'époque, l'expérience n'a pas utilisé des conditions réelles.

Ions traversant un nanopore

L'ajout de lumière signifie que la technologie s'est rapprochée d'une application dans le monde réel. Le système comprend deux compartiments remplis de liquide, à des concentrations de sel très différentes, séparés par une membrane en bisulfure de molybdène (MoS2). Au milieu de la membrane se trouve un nanopore, un petit trou entre trois et dix nanomètres (un millionième de millimètre) de diamètre.

Chaque fois qu'un ion de sel passe à travers le trou de la solution à forte concentration à la solution à faible concentration, un électron est transféré à une électrode, qui génère un courant électrique.

Le potentiel de production d'électricité du système dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment la membrane elle-même, qui doit être mince afin de générer un courant maximum. Le nanopore doit également être sélectif pour créer une différence de potentiel (une tension) entre les deux liquides, comme dans une batterie conventionnelle. Le nanopore laisse passer les ions chargés positivement, tout en repoussant la plupart des charges négatives.

Le système est finement équilibré. Le nanopore et la membrane doivent être fortement chargés, et plusieurs nanopores de taille identique sont nécessaires, qui est un processus techniquement difficile.

Exploiter la puissance de la lumière du soleil

Les chercheurs ont contourné ces deux problèmes en même temps en utilisant une lumière laser de faible intensité. La lumière libère des électrons incrustés et les fait s'accumuler à la surface de la membrane, ce qui augmente la charge de surface du matériau. Par conséquent, le nanopore est plus sélectif et le flux de courant augmente.

"Pris ensemble, ces deux effets signifient que nous n'avons pas à nous soucier autant de la taille des nanopores, " explique Martina Lihter, chercheur au LBEN. "C'est une bonne nouvelle pour la production à grande échelle de la technologie, car les trous n'ont pas besoin d'être parfaits et uniformes."

Selon les chercheurs, un système de miroirs et de lentilles pourrait être utilisé pour diriger cette lumière sur les membranes des estuaires des rivières. Des systèmes similaires sont utilisés dans les capteurs solaires et les concentrateurs, une technologie déjà largement utilisée dans le photovoltaïque. "Essentiellement, le système pourrait générer de l'énergie osmotique jour et nuit, " explique Michael Graf, l'auteur principal de l'article. "La production doublerait pendant les heures de clarté."

L'étape suivante

Les chercheurs vont maintenant poursuivre leurs travaux en explorant les possibilités d'augmenter la production de la membrane, relever un éventail de défis tels que la densité de pores optimale. Il reste encore beaucoup de travail à faire avant que la technologie puisse être utilisée pour des applications réelles. Par exemple, la membrane ultra-mince doit être stabilisée mécaniquement. Cela pourrait être fait en utilisant une plaquette de silicium contenant un réseau dense de membranes en nitrure de silicium, qui sont faciles et bon marché à fabriquer.

Cette recherche, dirigé par le LBEN, est menée dans le cadre d'une collaboration entre deux laboratoires de l'EPFL (LANES et LBEN) et des chercheurs du Département de génie électrique et informatique, Université de l'Illinois Urbana-Champaign.

De retour en 2016, des chercheurs du LBEN ont rapporté que, pour la première fois, ils avaient produit une puissance osmotique à travers des membranes 2-D mesurant seulement trois atomes d'épaisseur. L'expérience a été une démonstration importante que les nanomatériaux peuvent effectivement représenter une révolution dans ce domaine, avec application directe envisagée pour les énergies renouvelables et les petites, sources d'énergie portables.

À l'époque, pour atteindre une production d'électricité élevée, les chercheurs ont dû opérer en milieu alcalin, avec des pH élevés qui sont loin des valeurs trouvées dans les estuaires. Un pH élevé était nécessaire pour augmenter la charge de surface du MoS2 et pour améliorer la puissance osmotique.

Cette fois-ci, au lieu d'utiliser des traitements chimiques, les chercheurs ont découvert que la lumière pouvait jouer ce rôle, leur permettant de fonctionner dans des conditions réelles.