Les partisans de l'énergie propre auront bientôt une nouvelle source à ajouter à leur gamme existante d'énergie solaire, vent, et l'hydroélectricité :l'énergie osmotique. Ou plus précisément, énergie générée par un phénomène naturel se produisant lorsque l'eau douce entre en contact avec l'eau de mer à travers une membrane.

Des chercheurs du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique de l'EPFL ont développé un système de production d'énergie osmotique qui offre des rendements jamais vus auparavant. Leur innovation réside dans une membrane épaisse de trois atomes utilisée pour séparer les deux fluides. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans La nature .

Le concept est assez simple. Une membrane semi-perméable sépare deux fluides avec des concentrations de sel différentes. Les ions de sel traversent la membrane jusqu'à ce que les concentrations de sel dans les deux fluides atteignent l'équilibre. Ce phénomène est précisément l'osmose.

Si le système est utilisé avec de l'eau de mer et de l'eau douce, les ions de sel dans l'eau de mer traversent la membrane dans l'eau douce jusqu'à ce que les deux fluides aient la même concentration en sel. Et puisqu'un ion est simplement un atome avec une charge électrique, le mouvement des ions de sel peut être exploité pour produire de l'électricité.

Une épaisseur de 3 atomes, membrane sélective qui fait le travail

Le système de l'EPFL se compose de deux compartiments remplis de liquide séparés par une fine membrane en bisulfure de molybdène. La membrane a un petit trou, ou nanopore, à travers lequel les ions d'eau de mer passent dans l'eau douce jusqu'à ce que les concentrations en sel des deux fluides soient égales. Lorsque les ions traversent le nanopore, leurs électrons sont transférés à une électrode - qui est utilisée pour générer un courant électrique.

Grâce à ses propriétés, la membrane laisse passer des ions chargés positivement, tout en repoussant la plupart des charges négatives. Cela crée une tension entre les deux liquides lorsque l'un crée une charge positive et l'autre une charge négative. C'est cette tension qui fait circuler le courant généré par le transfert d'ions.

"Nous avons d'abord dû fabriquer puis étudier la taille optimale du nanopore. S'il est trop grand, les ions négatifs peuvent passer et la tension résultante serait trop faible. S'il est trop petit, pas assez d'ions peuvent passer et le courant serait trop faible, " dit Jiandong Feng, auteur principal de la recherche.

Ce qui distingue le système de l'EPFL, c'est sa membrane. Dans ces types de systèmes, le courant augmente avec une membrane plus fine. Et la membrane de l'EPFL n'a que quelques atomes d'épaisseur. Le matériau qui le compose - le bisulfure de molybdène - est idéal pour générer un courant osmotique. « C'est la première fois qu'un matériau bidimensionnel est utilisé pour ce type d'application, " a déclaré Aleksandra Radenovic, responsable du laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique

Alimenter 50'000 ampoules basse consommation à membrane 1m2

Le potentiel du nouveau système est énorme. D'après leurs calculs, une membrane de 1m² dont 30% de sa surface est recouverte de nanopores devrait pouvoir produire 1MW d'électricité - soit de quoi en alimenter 50, 000 ampoules à économie d'énergie standard. Et puisque le bisulfure de molybdène (MoS2) se trouve facilement dans la nature ou peut être cultivé par dépôt chimique en phase vapeur, le système pourrait éventuellement être augmenté pour la production d'électricité à grande échelle. Le défi majeur dans la mise à l'échelle de ce processus est de découvrir comment fabriquer des pores relativement uniformes.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs ont travaillé sur une membrane à un seul nanopore, afin de comprendre précisément ce qui se passait. '' Du point de vue de l'ingénierie, système à nanopore unique est idéal pour approfondir notre compréhension fondamentale des processus membranaires et fournir des informations utiles pour la commercialisation au niveau de l'industrie'', dit Jiandong Feng.

Les chercheurs ont pu faire fonctionner un nanotransistor à partir du courant généré par un seul nanopore et ont ainsi démontré un nanosystème auto-alimenté. Des transistors MoS2 monocouche basse consommation ont été fabriqués en collaboration avec l'équipe d'Andreas Kis à l'EPFL, tandis que des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées par des collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Exploiter le potentiel des estuaires

La recherche de l'EPFL s'inscrit dans une tendance croissante. Depuis plusieurs années, des scientifiques du monde entier ont développé des systèmes qui exploitent l'énergie osmotique pour créer de l'électricité. Des projets pilotes ont vu le jour dans des endroits comme la Norvège, les Pays-Bas, Japon, et les États-Unis pour produire de l'énergie dans les estuaires, où les fleuves se jettent dans la mer. Pour l'instant, les membranes utilisées dans la plupart des systèmes sont organiques et fragiles, et offrent de faibles rendements. Certains systèmes utilisent le mouvement de l'eau, plutôt que des ions, pour alimenter des turbines qui produisent à leur tour de l'électricité.

Une fois que les systèmes deviennent plus robustes, l'énergie osmotique pourrait jouer un rôle majeur dans la production d'énergie renouvelable. Alors que les panneaux solaires nécessitent un ensoleillement adéquat et les éoliennes un vent adéquat, l'énergie osmotique peut être produite à n'importe quelle heure du jour ou de la nuit - à condition qu'il y ait un estuaire à proximité.