Au fur et à mesure que les bactéries Bacilli se dessèchent et forment des spores (illustrées ici), ils se froissent, et comme ils se réhydratent, ils gonflent. Une équipe dirigée par l'ancien chercheur résident du Wyss Institute, Ozgar Sahin, a exploité ces changements induits par l'humidité pour alimenter un actionneur et générer de l'électricité. Crédit :Xi Chen/Université de Columbia
(Phys.org) —Un nouveau type de générateur électrique utilise des spores bactériennes pour exploiter la puissance inexploitée de l'évaporation de l'eau, selon des recherches menées au Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard. Ses développeurs prévoient des générateurs électriques entraînés par les changements d'humidité des étangs et des ports chauffés par le soleil.
Les générateurs prototypes fonctionnent en exploitant le mouvement d'une feuille de caoutchouc recouverte d'un côté de spores. La feuille se plie lorsqu'elle sèche, tout comme une pomme de pin s'ouvre en séchant ou une feuille fraîchement tombée s'enroule, puis se redresse lorsque l'humidité augmente. Une telle flexion d'avant en arrière signifie que des feuilles recouvertes de spores ou de minuscules planches peuvent agir comme des actionneurs qui entraînent le mouvement, et ce mouvement peut être récolté pour produire de l'électricité.
« Si cette technologie est pleinement développée, il a une fin de partie très prometteuse, " dit Ozgur Sahin, qui a dirigé l'étude, d'abord au Rowland Institute de Harvard, plus tard à l'Institut Wyss, et plus récemment à l'Université Columbia, où il est maintenant professeur agrégé de sciences biologiques et de physique. Sahin a collaboré avec L. Mahadevan, membre du corps professoral du Wyss Institute, qui est aussi le professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées, biologie de l'organisme et de l'évolution, et de physique à la School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard, et Adam Driks, professeur de microbiologie et d'immunologie à la Loyola University Chicago Stritch School of Medicine. Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux hier dans Nature Nanotechnologie .
L'évaporation de l'eau est la plus grande source d'énergie dans la nature, dit Sahin. "La lumière du soleil frappe l'océan, le réchauffe, et l'énergie doit quitter l'océan par évaporation, " expliqua-t-il. " Si vous pensez à toute la glace au sommet du mont Everest, qui a emporté cette énorme quantité de matériel là-haut ? Il y a de l'énergie dans l'évaporation, mais c'est si subtil qu'on ne le voit pas."
Mais jusqu'à présent, personne n'a exploité cette énergie pour produire de l'électricité.
Alors que Sahin poursuivait l'idée d'un nouveau générateur à humidité, il s'est rendu compte que Mahadevan avait enquêté sur des problèmes similaires d'un point de vue physique. Spécifiquement, il avait caractérisé comment l'humidité déforme les matériaux, y compris les matières biologiques telles que les pommes de pin, feuilles et fleurs, ainsi que des matériaux artificiels tels qu'une feuille de papier de soie se trouvant dans un plat d'eau.
Sahin a collaboré avec Mahadevan et Driks sur l'une de ces études. Une bactérie du sol appelée Bacillus subtilis se froisse en se desséchant comme un raisin devenant un raisin sec, formant un dur, spore dormante. Les résultats, dont ils ont fait état en 2012 dans le Journal de la Royal Society Interface , expliqué pourquoi.
Contrairement aux raisins secs, qui ne peut pas se reformer en raisin, les spores peuvent prendre de l'eau et reprendre presque immédiatement leur forme d'origine. Sahin s'est rendu compte que puisqu'ils rétrécissent de manière réversible, ils devaient stocker de l'énergie. En réalité, les spores seraient particulièrement efficaces pour stocker de l'énergie car elles sont rigides, pourtant encore se dilater et se contracter beaucoup, les chercheurs ont prédit.
Dans cet appareil, la flexion due à l'humidité d'un morceau de latex recouvert de spores (à droite) entraîne le mouvement d'un aimant, qui produit de l'électricité. Un appareil construit sur des principes similaires pourrait fonctionner comme un générateur électrique alimenté par l'humidité. Crédit :Xi Chen/Université de Columbia
"Puisque les niveaux d'humidité changeants déforment ces spores, il s'ensuit que les appareils contenant ces matériaux devraient pouvoir se déplacer en réponse à des niveaux d'humidité changeants, " a déclaré Mahadevan. " Maintenant, Ozgur a très bien montré comment cela pouvait être utilisé dans la pratique. "
Lorsque Sahin a commencé à mesurer l'énergie des spores, il a été pris par surprise.
Il a mis une solution épaisse avec des spores sur un minuscule, planche flexible de silicium, s'attendant à mesurer la force entraînée par l'humidité dans un microscope à force atomique personnalisé. Mais avant qu'il puisse insérer la planche, il l'a vu se courber et se redresser à l'œil nu. Ses inspirations et expirations avaient subtilement modifié l'humidité, et les spores avaient répondu.
"J'ai réalisé alors que c'était extrêmement puissant, " dit Sahin.
En réalité, augmentant simplement l'humidité de celle d'un sec, journée ensoleillée à humide, brumeux a permis le flexible, planche recouverte de spores pour générer 1000 fois plus de force que le muscle humain, et au moins 10 fois plus que les autres ingénieurs en matériaux utilisent actuellement pour construire des actionneurs, Sahin a découvert. En réalité, humidifier une livre de spores sèches générerait suffisamment de force pour soulever une voiture d'un mètre du sol.
Pour construire un tel actionneur, Sahin a testé la qualité des matériaux recouverts de spores tels que le silicium, caoutchouc, Plastique, et le ruban adhésif stocke l'énergie, s'installer sur le caoutchouc comme matériau le plus prometteur.
Puis il a construit un simple générateur d'humidité à partir de LegosTM, un ventilateur miniature, un aimant et un porte-à-faux recouvert de spores. Comme le cantilever bascule d'avant en arrière en réponse à l'humidité, il entraîne un aimant rotatif qui produit de l'électricité.
Le prototype de Sahin ne capture qu'un petit pourcentage de l'énergie libérée par l'évaporation, mais il pourrait être amélioré en modifiant génétiquement les spores pour qu'elles soient plus rigides et plus élastiques. En effet, dans les premières expériences, les spores d'une souche mutante fournies par Driks stockaient deux fois plus d'énergie que les souches normales.
"L'énergie solaire et éolienne fluctue considérablement lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent ne souffle pas, et nous n'avons aucun bon moyen d'en stocker suffisamment pour alimenter le réseau pendant longtemps, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Don Ingber, MARYLAND., doctorat « Si les changements d'humidité pouvaient être exploités pour générer de l'électricité jour et nuit en utilisant une version agrandie de ce nouveau générateur, il pourrait fournir au monde une nouvelle source d'énergie renouvelable dont on a désespérément besoin."
Pour en savoir plus sur le potentiel de cet actionneur et générateur contenant des spores, voir cette courte animation :
