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 2 en matière organique, c'est à dire., énergie pour les animaux sous forme de nourriture, chaque année [source :Hunter]. Et cela n'utilise que 3% de la lumière solaire qui atteint la Terre [source :Boyd].
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 ?
Contenu
Approches de la photosynthèse artificielle
Applications de photosynthèse artificielle
Défis de la création de photosynthèse artificielle
Approches de la photosynthèse artificielle
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 2 O molécules en hydrogène, électrons et oxygène (protons). Les électrons et l'hydrogène sont ensuite utilisés pour transformer le CO 2 en glucides, et l'oxygène est expulsé.
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 :
Manganèse :Le manganèse est le catalyseur présent dans le noyau photosynthétique des plantes. Un seul atome de manganèse déclenche le processus naturel qui utilise la lumière du soleil pour diviser l'eau. L'utilisation du manganèse dans un système artificiel est une approche biomimétrique -- il imite directement la biologie trouvée dans les plantes.
Dioxyde de titane sensibilisé aux colorants :Dioxyde de titane (TiO 2 ) est un métal stable qui peut agir comme un catalyseur efficace. Il est utilisé dans une cellule solaire à colorant, également appelée cellule de Graetzel, qui existe depuis les années 1990. Dans une cellule Graetzel, le TiO 2 est suspendu dans une couche de particules de colorant qui captent la lumière du soleil puis l'exposent au TiO 2 pour démarrer la réaction.
Oxyde de cobalt :L'un des catalyseurs les plus récemment découverts, des grappes de molécules d'oxyde de cobalt (CoO) de taille nanométrique se sont avérées être des déclencheurs stables et très efficaces dans un système de photosynthèse artificielle. L'oxyde de cobalt est également une molécule très abondante - c'est actuellement un catalyseur industriel populaire.
Une fois perfectionné, ces systèmes pourraient changer la façon dont nous alimentons notre monde.