L'un des grands problèmes des systèmes énergétiques durables est de savoir comment stocker l'électricité produite à partir du vent, solaire et vagues. Maintenant, aucune technologie existante ne permet un stockage et une récupération d'énergie à grande échelle pour une énergie durable à un faible coût financier et environnemental.

Des microbes électroactifs d'ingénierie pourraient faire partie de la solution; ces microbes sont capables d'emprunter un électron à l'électricité solaire ou éolienne et d'utiliser l'énergie pour séparer les molécules de dioxyde de carbone de l'air. Les microbes peuvent alors prendre les atomes de carbone pour fabriquer des biocarburants, comme l'isobutanol ou le propanol, qui pourraient être brûlés dans un générateur ou ajoutés à l'essence, par exemple.

"Nous pensons que la biologie joue un rôle important dans la création d'une infrastructure énergétique durable, " dit Buz Barstow, professeur adjoint de génie biologique et environnemental à l'Université Cornell. "Certains rôles seront des seconds rôles et d'autres seront des rôles majeurs, et nous essayons de trouver tous ces endroits où la biologie peut fonctionner."

Barstow est l'auteur principal de "Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems, " publié dans le Journal de génie biologique .

L'ajout d'éléments d'ingénierie électrique (synthétiques ou non biologiques) pourrait rendre cette approche encore plus productive et efficace que les microbes seuls. À la fois, avoir de nombreuses options crée également trop de choix d'ingénierie. L'étude fournit des informations pour déterminer la meilleure conception en fonction des besoins.

"Nous proposons une nouvelle approche où nous assemblons l'ingénierie électrochimique biologique et non biologique pour créer une nouvelle méthode de stockage de l'énergie, " a déclaré Farshid Salimijazi, un étudiant diplômé du laboratoire de Barstow et le premier auteur de l'article.

La photosynthèse naturelle offre déjà un exemple de stockage de l'énergie solaire à grande échelle, et le transformer en biocarburants dans une boucle fermée du carbone. Il capte environ six fois plus d'énergie solaire en un an que toute la civilisation utilise au cours de la même période. Mais, la photosynthèse est vraiment inefficace pour récolter la lumière du soleil, absorbant moins d'un pour cent de l'énergie qui frappe les cellules photosynthétiques.

Les microbes électroactifs ont permis de remplacer la récolte de lumière biologique par le photovoltaïque. Ces microbes peuvent absorber de l'électricité dans leur métabolisme et utiliser cette énergie pour convertir le CO2 en biocarburants. L'approche est très prometteuse pour fabriquer des biocarburants à des rendements plus élevés.

Les microbes électroactifs permettent également l'utilisation d'autres types d'électricité renouvelable, pas seulement l'électricité solaire, pour alimenter ces conversions. Aussi, certaines espèces de microbes modifiés peuvent créer des bioplastiques qui pourraient être enterrés, éliminant ainsi le dioxyde de carbone (un gaz à effet de serre) de l'air et le séquestrant dans le sol. Les bactéries pourraient être conçues pour inverser le processus, en reconvertissant un bioplastique ou un biocarburant en électricité. Ces interactions peuvent toutes se produire à température et pression ambiantes, ce qui est important pour l'efficacité.

Les auteurs soulignent que les méthodes non biologiques d'utilisation de l'électricité pour la fixation du carbone (assimilation du carbone du CO2 en composés organiques, comme les biocarburants) commencent à égaler et même à dépasser les capacités des microbes. Cependant, les technologies électrochimiques ne sont pas douées pour créer les types de molécules complexes nécessaires aux biocarburants et aux polymères. Des microbes électroactifs d'ingénierie pourraient être conçus pour convertir ces molécules simples en des molécules beaucoup plus compliquées.

Des combinaisons de microbes modifiés et de systèmes électrochimiques pourraient largement dépasser l'efficacité de la photosynthèse. Pour ces raisons, une conception qui marie les deux systèmes offre la solution la plus prometteuse pour le stockage d'énergie, selon les auteurs.

« D'après les calculs que nous avons faits, nous pensons que c'est certainement possible, " a déclaré Salimijazi.

L'article comprend des données de performance sur les conceptions biologiques et électrochimiques pour la fixation du carbone. L'étude actuelle est "la première fois que quelqu'un a rassemblé en un seul endroit toutes les données dont vous avez besoin pour faire une comparaison pomme à pomme de l'efficacité de tous ces différents modes de fixation du carbone, " a déclaré Barstow.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'utiliser les données qu'ils ont rassemblées pour tester toutes les combinaisons possibles de composants électrochimiques et biologiques, et trouvez les meilleures combinaisons parmi tant de choix.

Erika Parra, un directeur des Laboratoires MultiPHY, Inc., est co-auteur de l'article.