La photosynthèse : mécanisme fondamental de la vie sur cette planète, fléau des étudiants en biologie du GCSE, et désormais un moyen potentiel de lutter contre le changement climatique. Les scientifiques travaillent dur pour développer une méthode artificielle qui imite la façon dont les plantes utilisent la lumière du soleil pour transformer le CO2 et l'eau en quelque chose que nous pouvons utiliser comme carburant. Si cela fonctionne, ce sera un scénario gagnant-gagnant pour nous : non seulement nous bénéficierons de l'énergie renouvelable produite de cette manière, mais cela pourrait également devenir un moyen important de réduire les niveaux de CO2 dans l'atmosphère.
Cependant, il a fallu des milliards d'années aux plantes pour développer la photosynthèse, et ce n'est pas toujours une tâche facile de reproduire ce qui se passe dans la nature. Pour le moment, les étapes de base de la photosynthèse artificielle fonctionnent, mais pas très efficacement. La bonne nouvelle est que la recherche dans ce domaine s'accélère et qu'il existe des groupes dans le monde qui s'efforcent d'exploiter ce processus intégral.
Photosynthèse en deux étapes
La photosynthèse ne consiste pas seulement à capter la lumière du soleil. Un lézard se baignant sous le soleil chaud peut le faire. La photosynthèse a évolué dans les plantes comme un moyen de capturer et de stocker cette énergie (le bit photo) et de la convertir en glucides (le bit de synthèse). Les plantes utilisent une série de protéines et d'enzymes alimentées par la lumière du soleil pour libérer des électrons, qui à leur tour sont utilisés pour convertir le CO2 en glucides complexes. Fondamentalement, la photosynthèse artificielle suit les mêmes étapes.
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Dans la photosynthèse naturelle, qui fait partie du cycle naturel du carbone, nous avons de la lumière, du CO2 et de l'eau qui entrent dans la plante et la plante fabrique du sucre, explique Phil De Luna, doctorant travaillant au département de génie électrique et informatique de l'université. de Toronto. Dans la photosynthèse artificielle, nous utilisons des dispositifs et des matériaux inorganiques. La partie de récolte solaire réelle est effectuée par des cellules solaires et la partie de conversion d'énergie est effectuée par des catalyseurs électrochimiques [réactions en présence de].
Ce qui séduit vraiment avec ce processus, c'est la capacité de produire du carburant pour le stockage d'énergie à long terme. C'est bien plus que ce que les sources d'énergie renouvelables actuelles peuvent faire, même avec la technologie émergente des batteries. Si le soleil n'est pas là ou s'il n'y a pas de vent, par exemple, les panneaux solaires et les parcs éoliens cessent tout simplement de produire. Pour le stockage saisonnier prolongé et le stockage dans des combustibles complexes, nous avons besoin d'une meilleure solution, déclare De Luna. Les batteries sont idéales au quotidien, pour les téléphones et même pour les voitures, mais nous n'allons jamais faire fonctionner un [Boeing] 747 avec une batterie.
Des défis à résoudre
Lorsqu'il s'agit de créer des cellules solaires - la première étape du processus de photosynthèse artificielle - nous avons déjà la technologie en place : les systèmes d'énergie solaire. Cependant, les panneaux photovoltaïques actuels, qui sont généralement des systèmes à base de semi-conducteurs, sont relativement coûteux et inefficaces par rapport à la nature. Une nouvelle technologie est nécessaire; celui qui gaspille beaucoup moins d'énergie.
Gary Hastings et son équipe de Université d'État de Géorgie, Atlanta , peut avoir trébuché sur un point de départ en examinant le processus d'origine dans les plantes. En photosynthèse, le point crucial consiste à déplacer les électrons sur une certaine distance dans la cellule. En termes très simples, c'est ce mouvement causé par la lumière du soleil qui est ensuite converti en énergie. Hastings a montré que le processus est très efficace dans la nature car ces électrons ne peuvent pas revenir à leur position d'origine : si l'électron retourne d'où il vient, alors l'énergie solaire est perdue. Bien que cette possibilité soit rare dans les plantes, elle se produit assez fréquemment dans les panneaux solaires, expliquant pourquoi ils sont moins efficaces que la vraie chose.
Hastings pense que cette recherche est susceptible de faire progresser les technologies des cellules solaires liées à la production de produits chimiques ou de carburant, mais il s'empresse de souligner que ce n'est qu'une idée pour le moment et que cette avancée est peu susceptible de se produire de si tôt. En ce qui concerne la fabrication d'une technologie de cellule solaire entièrement artificielle conçue sur la base de ces idées, je pense que la technologie est plus éloignée dans le futur, probablement pas dans les cinq prochaines années, même pour un prototype.
Un problème que les chercheurs pensent que nous sommes sur le point de résoudre concerne la deuxième étape du processus : la conversion du CO2 en carburant. Comme cette molécule est très stable et qu'il faut une quantité incroyable d'énergie pour la casser, le système artificiel utilise des catalyseurs pour réduire l'énergie requise et aider à accélérer la réaction. Cependant, cette approche apporte son lot de problèmes. Il y a eu de nombreuses tentatives au cours des dix dernières années, avec des catalyseurs à base de manganèse, de titane et de cobalt, mais l'utilisation prolongée s'est avérée problématique. La théorie peut sembler bonne, mais ils cessent de fonctionner après quelques heures, deviennent instables, ralentissent ou déclenchent d'autres réactions chimiques qui peuvent endommager la cellule.
Mais une collaboration entre des chercheurs canadiens et chinois semble avoir touché le jackpot . Ils ont trouvé un moyen de combiner le nickel, le fer, le cobalt et le phosphore pour travailler dans un pH neutre, ce qui facilite considérablement le fonctionnement du système. Étant donné que notre catalyseur peut bien fonctionner dans un électrolyte à pH neutre, ce qui est nécessaire pour la réduction du CO2, nous pouvons exécuter l'électrolyse de la réduction du CO2 dans [un] système sans membrane, et donc la tension peut être diminuée, explique Bo Zhang, du ministère. des sciences macromoléculaires à l'Université de Fudan, en Chine. Avec une impressionnante conversion de puissance électrique-chimique de 64%, l'équipe détient désormais le record de l'efficacité la plus élevée pour les systèmes de photosynthèse artificielle.
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Le plus gros problème avec ce que nous avons en ce moment est l'échelle
Pour leurs efforts, l'équipe a atteint les demi-finales du NRG COSIA Carbon XPRIZE, ce qui pourrait leur rapporter 20 millions de dollars pour leurs recherches. L'objectif est de développer des technologies révolutionnaires qui convertiront les émissions de CO2 des centrales électriques et des installations industrielles en produits de valeur et avec leurs systèmes améliorés de photosynthèse artificielle, elles ont de bonnes chances.
Le prochain défi est la mise à l'échelle. Le plus gros problème avec ce que nous avons en ce moment est l'échelle. Lorsque nous évoluons, nous finissons par perdre en efficacité, explique De Luna, qui a également participé à l'étude de Zhang. Heureusement, les chercheurs n'ont pas épuisé leur liste d'améliorations et tentent maintenant de rendre les catalyseurs plus efficaces grâce à différentes compositions et différentes configurations.
Gagner sur deux fronts
Il y a certainement encore place à l'amélioration à court et à long terme, mais beaucoup pensent que la photosynthèse artificielle a le potentiel de devenir un outil important en tant que technologie propre et durable pour l'avenir.
C'est incroyablement excitant parce que le terrain évolue si rapidement. En termes de commercialisation, nous sommes au point de basculement, a déclaré De Luna, ajoutant que le fait que cela fonctionne dépendra de nombreux facteurs, notamment la politique publique et l'adoption par l'industrie d'une technologie d'énergie renouvelable.
Bien faire la science n'est donc que la première étape. Dans le sillage des recherches menées par Hastings et Zhang, viendra la décision cruciale d'intégrer la photosynthèse artificielle dans notre stratégie mondiale autour des énergies renouvelables. Les enjeux sont élevés. S'il réussit, nous gagnerons sur deux fronts – non seulement en produisant des carburants et des produits chimiques, mais aussi en réduisant notre empreinte carbone dans le processus.
