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Des nanotubes de carbone pour stocker la chaleur du soleil

Il ne suffit pas de savoir capter l’énergie solaire pour en faire l’énergie du futur. Il faut pouvoir la stocker et la rendre disponible à volonté. Un groupe de chercheurs du MIT aurait trouvé un nouveau principe de stockage efficace et peu coûteux avec un matériau basé sur des nanotubes de carbone. Il ne s'agit pour le moment que de calculs.

Un nanotube de carbone entouré de molécules d'azobenzène. © Grossman Kolpak Un nanotube de carbone entouré de molécules d'azobenzène. © Grossman Kolpak

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Même si le Japon étudie de plus en plus sérieusement le concept de station spatiale solaire, cela n’est sûrement pas la voie que pourra exploiter l’ensemble de l’humanité dans moins de cinquante ans pour exploiter massivement l’énergie du soleil. Les dispositifs permettant de capter l’énergie solaire seront sans doute de plus en plus performants mais comme le soleil ne brille pas partout ni en permanence, il faut trouver le moyen de stocker durablement et efficacement l’énergie solaire, par exemple sous forme d’hydrogène.

Il y a quelque temps, les chercheurs du MIT avaient trouvé une intéressante molécule qui changeait de forme sous l’action du rayonnement solaire. De cette manière, de l’énergie pouvait être stockée longtemps sans perte et il suffisait d’un catalyseur pour la libérer avec un dégagement de chaleur. La molécule était du diruthénium de fulvalène.

Malheureusement, le ruthénium est un élément rare et coûteux.

Une transition quantique

Identifié et isolé en 1844 par Karl Karlovich Klaus, un chimiste et naturaliste russe, il fait partie des métaux du groupe du platine (dits métaux de transition). Sa production mondiale n’est que de 12 tonnes par an. Autant dire que cette molécule n’avait pas d’avenir. Mais les travaux des chercheurs du MIT, utilisant la mécanique quantique, leur ont permis de comprendre ce qui rendait cette molécule efficace.

Le principe du stockage de l'énergie du rayonnement solaire est expliqué sur ce schéma. 1, la molécule absorbe du rayonnement, 2 elle change de forme en conséquence en traversant une barrière d'énergie séparant deux états quantiques (3). Elle reste dans un état excité indéfiniment en attendant une action extérieure (4), par exemple un flash de lumière ou un léger chauffage. Elle retourne alors à sa forme initiale (6) en libérant de la chaleur (5). © Grossman-Kolpak
Le principe du stockage de l'énergie du rayonnement solaire est expliqué sur ce schéma. 1, la molécule absorbe du rayonnement, 2 elle change de forme en conséquence en traversant une barrière d'énergie séparant deux états quantiques (3). Elle reste dans un état excité indéfiniment en attendant une action extérieure (4), par exemple un flash de lumière ou un léger chauffage. Elle retourne alors à sa forme initiale (6) en libérant de la chaleur (5). © Grossman-Kolpak

Cela les a aiguillés du côté des nanosciences et plus particulièrement des nanotubes de carbone. En fixant des molécules d’azobenzène, un composé chimique comprenant deux anneaux phényls liés par un double pont N=N, sur les nanotubes de carbone, le résultat devrait être spectaculaire si l'ont en croit les calculs des chercheurs.

Non seulement le matériau obtenu serait bien plus économe à fabriquer mais la densité de l’énergie stockée serait dix mille fois plus grande ! Ce qui le rend comparable à ce que l’on sait faire avec des batteries au lithium. De nouveau, l’énergie du rayonnement solaire est stockée indéfiniment grâce à un changement de forme de la structure moléculaire. On peut ensuite la libérer sous forme de chaleur.

Il faut bien sûr associer à ce matériau des dispositifs capables de convertir l’énergie thermique sous forme d’énergie électrique. Toujours est-il que les chercheurs savent probablement maintenant dans quelles directions chercher diverses molécules capables de jouer ce rôle de batterie thermochimique. Le processus de fabrication lui-même est basé sur la nanotechnologie. Reste à vérifier expérimentalement que les calculs des chercheurs sont justes.


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