Les plantes convertissent la lumière du soleil en énergie grâce à la photosynthèse. Pouvons-nous faire de même ? iStockphoto.com/ooyoo Si la source d'énergie la plus intelligente est celle qui est abondante, bon marché et propre, alors les plantes sont beaucoup plus intelligentes que les humains. Sur des milliards d'années, ils ont développé peut-être l'alimentation électrique la plus efficace au monde : photosynthèse , ou la conversion de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l'eau en carburant utilisable, émettant de l'oxygène utile dans le processus.
Dans le cas des plantes (ainsi que des algues et de certaines bactéries), le "carburant utilisable" correspond aux glucides, protéines et graisses. Humains, d'autre part, sont à la recherche de carburant liquide pour alimenter les voitures et d'électricité pour faire fonctionner les réfrigérateurs. Mais cela ne veut pas dire que nous ne pouvons pas nous tourner vers la photosynthèse pour résoudre notre sale-, cher-, problèmes d'énergie décroissante. Pendant des années, les scientifiques ont essayé de trouver un moyen d'utiliser le même système énergétique que les plantes, mais avec un rendement final modifié.
En utilisant rien d'autre que la lumière du soleil comme entrée d'énergie, les plantes effectuent des conversions énergétiques massives, tournant 1, 102 milliards de tonnes (1, 000 milliards de tonnes) de CO
L'énergie disponible dans la lumière du soleil est une ressource inexploitée que nous commençons à peine à vraiment maîtriser. Technologie actuelle des cellules photovoltaïques, généralement un système à base de semi-conducteurs, est cher, pas très efficace, et ne fait que des conversions instantanées de la lumière du soleil en électricité - la production d'énergie n'est pas stockée pour un jour de pluie (bien que cela puisse changer :voir « Y a-t-il un moyen d'obtenir de l'énergie solaire la nuit ? »). Mais un système de photosynthèse artificielle ou une cellule photoélectrochimique qui imite ce qui se passe dans les plantes pourrait potentiellement créer une infinité, un approvisionnement relativement peu coûteux de tout le « gaz » et de l'électricité propres dont nous avons besoin pour alimenter nos vies - et sous une forme stockable, trop.
Dans cet article, nous allons examiner la photosynthèse artificielle et voir jusqu'où elle est allée. Nous verrons ce que le système doit être capable de faire, Découvrez quelques méthodes actuelles pour réaliser la photosynthèse artificielle et voyez pourquoi il n'est pas aussi facile à concevoir que d'autres systèmes de conversion d'énergie.
Donc, que doit être capable de faire un système de photosynthèse artificielle ?
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Pour recréer la photosynthèse que les plantes ont perfectionnée, un système de conversion d'énergie doit être capable de faire deux choses cruciales (probablement à l'intérieur d'un certain type de nanotube qui agit comme la « feuille » structurelle) :récolter la lumière du soleil et diviser les molécules d'eau.
Les plantes accomplissent ces tâches en utilisant la chlorophylle, qui capte la lumière du soleil, et une collection de protéines et d'enzymes qui utilisent cette lumière du soleil pour décomposer H
Pour qu'un système artificiel fonctionne pour les besoins humains, la sortie doit changer. Au lieu de ne libérer que de l'oxygène en fin de réaction, il devrait également libérer de l'hydrogène liquide (ou peut-être du méthanol). Cet hydrogène pourrait être utilisé directement comme combustible liquide ou canalisé dans une pile à combustible. Obtenir le processus de production d'hydrogène n'est pas un problème, puisqu'il est déjà là dans les molécules d'eau. Et capturer la lumière du soleil n'est pas un problème - les systèmes solaires actuels le font.
La partie difficile est de diviser les molécules d'eau pour obtenir les électrons nécessaires pour faciliter le processus chimique qui produit l'hydrogène. Le fractionnement de l'eau nécessite un apport d'énergie d'environ 2,5 volts [source :Hunter]. Cela signifie que le processus nécessite un catalyseur - quelque chose pour faire bouger le tout. Le catalyseur réagit avec les photons du soleil pour initier une réaction chimique.
Il y a eu des avancées importantes dans ce domaine au cours des cinq ou dix dernières années. Voici quelques-uns des catalyseurs les plus efficaces :
Une fois perfectionné, ces systèmes pourraient changer la façon dont nous alimentons notre monde.
Le scientifique du NREL, John Turner, démontre la capacité d'une cellule photoélectrochimique (PEC) à produire de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant l'énergie d'une source lumineuse. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Warren Gretz, Laboratoire national des énergies renouvelables Les combustibles fossiles sont rares, et ils contribuent à la pollution et au réchauffement climatique. Charbon, bien qu'abondant, est très polluant à la fois pour le corps humain et pour l'environnement. Les éoliennes nuisent aux paysages pittoresques, le maïs nécessite de vastes étendues de terres agricoles et la technologie actuelle des cellules solaires est coûteuse et inefficace. La photosynthèse artificielle pourrait offrir une nouvelle peut-être le moyen idéal de sortir de notre situation d'énergie.
Pour une chose, il présente des avantages par rapport aux cellules photovoltaïques, trouve dans les panneaux solaires d'aujourd'hui. La conversion directe de la lumière du soleil en électricité dans les cellules photovoltaïques fait de l'énergie solaire une énergie dépendante des conditions météorologiques et du temps, ce qui diminue son utilité et augmente son prix. Photosynthèse artificielle, d'autre part, pourrait produire un carburant stockable.
Et contrairement à la plupart des méthodes de génération d'énergie alternative, la photosynthèse artificielle a le potentiel de produire plus d'un type de carburant. Le processus photosynthétique pourrait être modifié afin que les réactions entre la lumière, CO
Un problème actuel avec l'énergie hydrogène à grande échelle est la question de savoir comment générer efficacement - et proprement - de l'hydrogène liquide. La photosynthèse artificielle pourrait être une solution.
Le méthanol est une autre sortie possible. Au lieu d'émettre de l'hydrogène pur dans le processus de photosynthèse, la cellule photoélectrochimique pourrait générer du carburant méthanol (CH
La capacité à produire un carburant propre sans générer de sous-produits nocifs, comme les gaz à effet de serre, fait de la photosynthèse artificielle une source d'énergie idéale pour l'environnement. Cela ne nécessiterait pas de minage, en croissance ou en forage. Et puisque ni l'eau ni le dioxyde de carbone ne font actuellement défaut, cela pourrait aussi être une source illimitée, potentiellement moins cher que d'autres formes d'énergie à long terme. En réalité, ce type de réaction photoélectrochimique pourrait même éliminer de grandes quantités de CO nocif
Mais nous n'en sommes pas encore là. Il existe plusieurs obstacles à l'utilisation de la photosynthèse artificielle à grande échelle.
La nature a perfectionné le processus de photosynthèse sur des milliards d'années. Il ne sera pas facile de le reproduire dans un système synthétique. iStockphoto.com/Zemdega Alors que la photosynthèse artificielle fonctionne en laboratoire, il n'est pas prêt pour la consommation de masse. Reproduire ce qui se passe naturellement dans les plantes vertes n'est pas une tâche simple.
L'efficacité est cruciale dans la production d'énergie. Les plantes ont mis des milliards d'années à développer le processus de photosynthèse qui fonctionne efficacement pour elles; reproduire cela dans un système synthétique demande beaucoup d'essais et d'erreurs.
Le manganèse qui agit comme catalyseur dans les plantes ne fonctionne pas aussi bien dans une installation artificielle, principalement parce que le manganèse est quelque peu instable. ça ne dure pas particulièrement longtemps, et il ne se dissoudra pas dans l'eau, rendant un système à base de manganèse quelque peu inefficace et peu pratique. L'autre grand obstacle est que la géométrie moléculaire des plantes est extraordinairement complexe et exacte - la plupart des installations artificielles ne peuvent pas reproduire ce niveau de complexité.
La stabilité est un problème dans de nombreux systèmes potentiels de photosynthèse. Les catalyseurs organiques se dégradent souvent, ou ils déclenchent des réactions supplémentaires qui peuvent endommager le fonctionnement de la cellule. Les catalyseurs d'oxyde métallique inorganique sont une bonne possibilité, mais ils doivent travailler assez vite pour utiliser efficacement les photons qui se déversent dans le système. Ce type de vitesse catalytique est difficile à trouver. Et certains oxydes métalliques qui ont la vitesse manquent dans un autre domaine - l'abondance.
Dans les cellules sensibilisées aux colorants à la pointe de la technologie, le problème n'est pas le catalyseur; au lieu, c'est la solution d'électrolyte qui absorbe les protons des molécules d'eau séparées. C'est une partie essentielle de la cellule, mais il est composé de solvants volatils qui peuvent éroder d'autres composants du système.
Les progrès de ces dernières années commencent à s'attaquer à ces problèmes. L'oxyde de cobalt est un stable, oxyde métallique rapide et abondant. Les chercheurs dans les cellules sensibilisées aux colorants ont mis au point une solution sans solvant pour remplacer les substances corrosives.
La recherche sur la photosynthèse artificielle s'accélère, mais il ne quittera pas le laboratoire de si tôt. Il faudra au moins 10 ans avant que ce type de système soit une réalité [source :Boyd]. Et c'est une estimation assez optimiste. Certaines personnes ne sont pas sûres que cela arrivera un jour. Toujours, qui peut résister à espérer des plantes artificielles qui se comportent comme la vraie chose ?
