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Du soleil et des bactéries pour fabriquer du carburant

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Nombreux sont les chercheurs qui travaillent à la conception d'une feuille artificielle capable de reproduire le phénomène naturel de photosynthèse. Une équipe de l'Université de Harvard est allée plus loin. Elle a mis au point une feuille bionique qui permet, avec l'aide de bactéries, de produire un carburant liquide à partir d'énergie solaire.

Depuis des milliards d’années, des organismes vivants exploitent la photosynthèse pour fabriquer de la matière organique à partir de l’énergie du soleil. Ici, des cellules végétales (mousse de Plagiomnium affine) avec des chloroplastes visibles. Ces organites sont le siège de la photosynthèse. © Kristian Peters

L'évolution a mis 2,6 milliards d'années à y parvenir. Les équipes de chercheurs de l'université de Havard ont à peine mis plus d'un an et demi... Et leurs résultats ont été publiés en ce début d'année dans les Pnas. Ils ont mis au point un système qu'ils désignent par le terme de feuille bionique. Le procédé utilise une feuille artificielle et des bactéries pour convertir l'énergie solaire en carburant liquide. Le tout avec une efficacité de 1 %, efficacité comparable à celle de la photosynthèse naturelle.

Au cours de l'évolution, les plantes ont appris à transformer l'énergie solaire pour se nourrir. Plus récemment, les chercheurs ont trouvé le moyen d'exploiter cette énergie. Grâce à des cellules photovoltaïques, ils ont réussi à la convertir en électricité. Mais cette production est intermittente et mal adaptée aux besoins des consommateurs. Car le soleil ne brille pas à la demande. Et comme les moyens de stockage de l'électricité manquent encore d'efficacité et de disponibilité, les scientifiques ont pensé utiliser l'électricité d'origine solaire pour produire de l'hydrogène. Le gaz peut ensuite servir de carburant dans les piles à combustibles. Mais là encore, ils se heurtent à des difficultés de déploiement de la technologie.

Les chercheurs de la Faculty of Arts and Sciences, de la Medical School et du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'université de Harvard ont donc travaillé sur un système capable de transformer l'énergie solaire en un carburant liquide, à la fois facile à stocker et à utiliser dans les infrastructures existantes. Dans une première étape, leur feuille bionique s'appuie sur l'énergie du soleil et sur un catalyseur métallique pour décomposer de l'eau en oxygène et en hydrogène. Puis l'intervention d'une bactérie permet de réarranger les atomes d'un mélange dioxyde de carbone et d'hydrogène (CO2 et H2) pour obtenir de l'isopropanol, un combustible liquide qui peut servir d'additif à l'essence.

On peut trouver Ralstonia eutropha dans le sol ou dans l'eau. Cette bactérie est capable de dégrader un grand nombre de composés aromatiques chlorés et de polluants. Elle se présente comme un organisme modèle pour l'oxydation de l'hydrogène. L'hydrogène en effet, peut constituer sa seule source d'énergie. © Dr. Bernardo Gonzalez et Danilo Perez-Pantoja, University of California

L'alliance porteuse de l'organique et de l'inorganique

L'utilisation combinée de catalyseurs inorganiques et d'organismes vivants a permis aux chercheurs de l'université de Harvard de créer une plateforme de synthèse chimique innovante. Des travaux similaires avaient déjà été conduits par le passé mais avec peu de succès. Les uns faisaient appel à des bactéries vivant en milieu anaérobie, difficiles à mettre en œuvre pratiquement. D'autres rencontraient des difficultés à maintenir les réactions dites de dégagement d'oxygène (génération d'oxygène moléculaire) dans un environnement au pH neutre, adapté à la croissance biologique. Des difficultés qu'ils n'arrivaient à lever que par l'emploi de catalyseurs en métaux précieux.

La feuille bionique mise au point par les chercheurs de Harvard, quant à elle, a de quoi séduire par sa simplicité d'utilisation. Pour faire fonctionner la feuille artificielle et obtenir des réactions de dégagement d'oxygène, ils ont employé du phosphate de cobalt (CoPi). Ensuite, ils ont fait appel à une bactérie nommée Ralstonia eutropha. Celle-ci vient se nourrir de l'hydrogène issu de la décomposition de l'eau. Puis, elle utilise du dioxyde de carbone pour se multiplier et produire de l'isopropanol.

L'idée présentée par les chercheurs de Harvard pourrait être reprise pour la production de médicaments et plus exactement de vitamines. Mais la priorité de l'équipe est désormais d'augmenter l'efficacité de la feuille bionique. L'objectif est d'atteindre les 5 %. Un taux de transformation qui peut sembler faible mais qui devient parlant lorsqu'on le compare à l'efficacité de la photosynthèse naturelle dont la moyenne se situe autour de 1 % et qui peut plafonner à 2 % à la bonne saison.

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