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Exploiter l'énergie solaire directe pour la propulsion
Le soleil est la source d'énergie renouvelable la plus abondante. Mais toutes les technologies qui tirent parti de la lumière du soleil, y compris le photovoltaïque et les biocarburants, nécessitent des étapes intermédiaires et une infrastructure pour transformer les rayons du soleil en quelque chose qui peut être utilisé pour effectuer des travaux dans une machine. Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley utilisent des nanotubes de carbone pour construire de petites machines simples à base d'eau propulsées directement par la lumière du soleil. En théorie, disent-ils, ces machines pourraient être agrandies pour fabriquer des pompes génératrices d'énergie directement alimentées par le soleil.
Spin solaire : Un rotor à quatre ailettes (au centre) flottant sur un bassin d'eau tourne lorsqu'il est exposé au soleil. À gauche se trouve une lentille utilisée pour diriger la lumière du soleil sur le rotor ; la forme lumineuse à côté du rotor est réfléchie par la lumière du soleil.
Les machines à énergie solaire dépendent de la tension superficielle de l'eau. Les molécules d'eau sont fortement attirées les unes vers les autres. Ces interactions à haute énergie peuvent, dans les bonnes conditions, tirer des objets sur l'eau. Les machines de Berkeley sont des morceaux de plastique transparent, d'environ un centimètre sur leur bord le plus long, incrustés de bandes de nanotubes de carbone alignés verticalement. Lorsque la lumière du soleil ou d'un laser est focalisée sur la machine flottant sur un bassin d'eau, les nanotubes se réchauffent et chauffent l'eau qui les entoure. Cela provoque une diminution de la tension superficielle localisée dans une région de la machine, qui est à son tour propulsée vers l'avant loin de la partie basse tension de la surface.
D'autres systèmes similaires brisent la tension superficielle à l'aide d'impulsions électriques, mais cela nécessite une source d'alimentation telle qu'une batterie ou une cellule solaire. C'est mieux parce que vous éliminez les intermédiaires et obtenez beaucoup de travail, dit Alex Zettl , professeur de physique de la matière condensée à Berkeley qui a dirigé l'équipe de recherche avec Jean M.J. Fréchet , professeur de chimie et de génie chimique. Nous pensons que nous sommes sur quelque chose parce que la tension de surface est très puissante, dit Zettl.
Jusqu'à présent, l'équipe de Berkeley a fait la démonstration de deux machines de base alimentées par le soleil. Le premier, un bateau rectangulaire en plastique avec une bande de nanotubes à l'arrière, effectue un mouvement linéaire. En dirigeant la lumière laser ou en utilisant une lentille pour focaliser la lumière du soleil au centre de la bande de nanotubes ou à ses coins, le bateau peut être dirigé vers l'avant ou en cercles. Lorsque la lumière est focalisée sur lui, un bateau d'environ un centimètre de long peut voyager aussi vite que huit centimètres par seconde. La deuxième machine est un simple rotor avec une bande de nanotubes sur un côté de chacune de ses quatre ailettes. Lorsqu'il est exposé à la lumière directe du soleil, il tourne à environ 70 rotations par minute. Les deux machines n'ont été testées que dans des conteneurs en laboratoire.
Noir carbone: Des réseaux verticaux de nanotubes de carbone, illustrés ici intégrés dans un polymère transparent, absorbent presque toute la lumière du soleil qui les frappe. Cette micrographie électronique à balayage montre le bord d'un des bateaux.
C'est assez simple, mais c'est rendu possible par des matériaux sophistiqués, dit Zettl. Plus tôt ce mois-ci, des chercheurs de l'Université Meijo au Japon ont établi que les nanotubes de carbone disposés en réseaux verticaux ressemblant à des forêts sont les le plus noir matériaux jamais testés, absorbant presque toute la lumière qui leur tombe dessus. Ce matériau a les propriétés idéales pour capter l'énergie du soleil, dit Fréchet.
Zettl et Fréchet disent qu'en théorie, ces effets thermiques de tension superficielle devraient être évolutifs. Le groupe de Berkeley a commencé avec des machines à l'échelle millimétrique non seulement parce qu'elles étaient pratiques à tester en laboratoire, mais aussi parce que la manipulation d'objets de cette taille dans un liquide pose des défis particuliers. La turbulence est un facteur énorme à l'échelle du millimètre, dit Fréchet. Le mécanisme alimenté par la lumière pourrait potentiellement être utilisé pour déplacer des objets à l'échelle nanométrique à travers des dispositifs microfluidiques utilisés pour le diagnostic médical. À l'échelle nanométrique, dit Fréchet, la tension de surface bat la gravité. Les chercheurs espèrent également étendre leurs travaux pour fabriquer de vrais bateaux. Les lentilles montées à l'arrière d'un grand bateau devraient concentrer suffisamment de lumière solaire sur les nanotubes absorbants pour le propulser. Ils espèrent également fabriquer de grands rotors noyés dans des nanotubes pour des générateurs alimentés par le soleil.
Maintenant, ils doivent voir si cela fonctionnera dans un environnement réel, déclare Dean Alhorn, ingénieur en chef du satellite solaire de la NASA. NanoSail-D . Le satellite de la NASA, qui a été testé cet été, utilise un matériau réfléchissant pour absorber la quantité de mouvement, plutôt que la chaleur, des photons ; cette technologie devrait bien fonctionner dans le vide de l'espace mais n'a pas été pratique sur Terre. Alhorn dit que Zettl et Fréchet ont solidement démontré que c'est la lumière, pas autre chose, qui fait bouger les petits bateaux. Cependant, il note que les machines n'ont été testées que dans des bacs d'eau à l'intérieur du laboratoire. Alhorn dit que les chercheurs devront répondre à la question, quelle force peuvent-ils générer, par rapport aux forces opposées comme les vagues dans le monde réel ?
En effet, les chercheurs de Berkeley affirment que leur prochaine étape consiste à perfectionner leurs appareils. Cela pourrait être très efficace car les nanotubes absorbent si bien la lumière, mais nous devons voir s'il s'agit d'un système thermodynamique viable, explique Zettl.