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Vers une photosynthèse artificielle grâce aux boîtes quantiques ?

Domestiquer de façon efficace l’énergie du Soleil pour produire facilement des carburants ? Un rêve qui pourrait devenir réalité avec les travaux de chercheurs anglais utilisant des boîtes quantiques pour copier la photosynthèse des végétaux.

La luminescence féerique réémise par les boîtes quantiques éclairées par une source lumineuse. En changeant la taille des « boîtes », il est possible de contrôler la couleur de la lumière qu’elles absorbent ou réémettent. Et donc d’accorder la pile à combustible solaire aux longueurs d’onde du spectre visible que l’on souhaite capter. © Nanoco Technologies Ltd La luminescence féerique réémise par les boîtes quantiques éclairées par une source lumineuse. En changeant la taille des « boîtes », il est possible de contrôler la couleur de la lumière qu’elles absorbent ou réémettent. Et donc d’accorder la pile à combustible solaire aux longueurs d’onde du spectre visible que l’on souhaite capter. © Nanoco Technologies Ltd

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Si l’énergie provenant de la lumière du Soleil est immense, il est difficile de la capter de manière efficace. À cela s’ajoute le problème du stockage d’une énergie généralement récoltée sous forme d’électricité (panneaux photovoltaïques). Les végétaux ont résolu ce problème de manière très efficace grâce à des dispositifs structurés à très petite échelle mis en œuvre le jour, au cours de la phase claire de la photosynthèse.

En simplifiant fortement : au sein des feuilles, dans les chloroplastes, des complexes de molécules (dont les chlorophylles) absorbent l’énergie de la lumière pour former des ions H+ à partir d’eau. Ces transporteurs de charges positives (une sorte de courant électrique) sont ensuite utilisés au niveau de protéines-catalyseurs pour produire l’ATP, molécule carburant de la cellule.

C’est au cœur des feuilles, dans les chloroplastes, sur les membranes de structures appelées thylakoïdes que l’énergie de la lumière est absorbée par des groupements complexes de protéines et de pigments (PSII et PSI en vert). Cette énergie, convoyée sous forme de charges électriques par les ions H+, est utilisée lorsque ceux-ci traversent une grosse protéine (en orange) qui sert de catalyseur : à partir d’un substrat, elle va former de l’ATP, le carburant de la cellule. © Tameeria, Wikipedia, domaine public
C’est au cœur des feuilles, dans les chloroplastes, sur les membranes de structures appelées thylakoïdes que l’énergie de la lumière est absorbée par des groupements complexes de protéines et de pigments (PSII et PSI en vert). Cette énergie, convoyée sous forme de charges électriques par les ions H+, est utilisée lorsque ceux-ci traversent une grosse protéine (en orange) qui sert de catalyseur : à partir d’un substrat, elle va former de l’ATP, le carburant de la cellule. © Tameeria, Wikipedia, domaine public

La technique développée par Wendy Flavell, professeur à l’institut des sciences du photon de l’Université de Manchester et ses collègues, se rapproche des systèmes végétaux, d’où le qualificatif de « photosynthèse artificielle ». Ce dispositif solaire est en effet pensé à l’échelle nanométrique : des boîtes quantiques servent de collecteurs de photons et des molécules-catalyseurs tapissent leur surface pour permettre les réactions chimiques. La longueur d’onde de la lumière absorbée peut être choisie en modifiant la taille de ces boîtes. Des porphyrines, un type de molécules impliquées dans la photosynthèse, sont également associées aux boîtes quantiques comme collecteurs de photons.

Potentiellement, un meilleur rendement

Une boîte quantique est un dispositif cristallin nanométrique et semi-conducteur exploitant les propriétés quantiques. Depuis des années, des travaux ont montré qu’elles pouvaient faire de très bons capteurs de lumière et des applications sont imaginées dans les domaines des lasers et des panneaux solaires. Ici, quand la lumière est absorbée, des transporteurs de charges électriques sont créés et interagissent avec un substrat au niveau du catalyseur pour produire le carburant. C'est une sorte de pile à combustible inversée alimentée en énergie solaire.

Il est ainsi possible d’extraire de l’hydrogène à partir d’eau ou de transformer du méthane en méthanol liquide. C’est donc aussi un moyen d’obtenir ou de transformer, sans dépense d’énergie fossile, certaines matières premières nécessaires à l’industrie chimique.

Une pile à combustible solaire, utilisée lors des essais : les semi-conducteurs baignant dans la solution sont éclairés par une source de lumière (laser). Les réactions ont lieu dans cette solution, au niveau du catalyseur qui transforme un substrat (de l’eau) en un carburant (de l’hydrogène) grâce à l'énergie captée dans la lumière. © Nanoco Technologies Ltd
Une pile à combustible solaire, utilisée lors des essais : les semi-conducteurs baignant dans la solution sont éclairés par une source de lumière (laser). Les réactions ont lieu dans cette solution, au niveau du catalyseur qui transforme un substrat (de l’eau) en un carburant (de l’hydrogène) grâce à l'énergie captée dans la lumière. © Nanoco Technologies Ltd

Ce dispositif présente l’avantage de transférer l’énergie de la lumière absorbée directement dans la molécule produite grâce à l’intervention des porteurs de charges. Il y a donc beaucoup moins de déperditions que lorsqu’il faut d’abord produire de l’électricité, la transporter puis l’utiliser pour, par exemple, produire de l’hydrogène par électrolyse dans un dispositif dont le rendement est faible.

Ces travaux conduits par des chercheurs des universités de Manchester, Nottingham, York et de l’University of East Anglia sont actuellement présentés au public à la Summer Science Exhibition 2011, du 5 au 10 juillet à la Royal Society à Londres. D’autres équipes travaillent sur d’autres techniques de captage de l’énergie solaire pour produire des molécules organiques, en imitant les végétaux. Ces options différentes sont loin d’être concurrentes et on peut remarquer la vitalité des travaux pour chercher des alternatives aux combustibles fossiles.


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