Fournir de la lumière et de l'eau aux besoins énergétiques mondiaux

Alors que les chercheurs et les technologues du monde entier se démènent pour trouver des sources d'énergie plus propres, certains chimistes se tournent vers la solution élégante de la nature : la photosynthèse. Dans la photosynthèse, les plantes vertes utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour décomposer l'eau et le dioxyde de carbone. En manipulant des électrons et des atomes d'hydrogène, d'oxygène et de carbone dans une série de réactions chimiques complexes, le processus produit finalement la cellulose et la lignine qui forment la structure de la plante, ainsi que l'énergie stockée sous forme de sucre. Comprendre comment ce processus fonctionne, pense Daniel Nocera , professeur de chimie au MIT, pourrait conduire à des moyens de produire et de stocker l'énergie solaire sous des formes pratiques pour alimenter les voitures et fournir de l'électricité même lorsque le soleil ne brille pas.

Libérer l'énergie : Daniel Nocera, professeur de chimie au MIT, affirme que la recherche fondamentale sur les processus chimiques de la photosynthèse pourrait conduire à une société alimentée par l'eau et la lumière du soleil.

Ce dont nous avons besoin, ce sont des percées dans notre compréhension des processus chimiques fondamentaux qui rendent la photosynthèse possible, selon Nocera, un expert reconnu en photosynthèse. Il étudie les principes de la photosynthèse et applique ce qu'il a appris à la fabrication de catalyseurs qui utilisent l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène gazeux pour les piles à combustible. L'objectif de Nocera : un monde alimenté par la lumière et l'eau.

Examen de la technologie : Quel est le plus grand défi lié à l'énergie en ce moment ?

Daniel Nocera : Le vrai défi avec l'énergie est le problème d'échelle. Nous allons avoir cet énorme besoin d'énergie, et quand vous commencez à regarder tous les chiffres, il n'y a qu'un seul approvisionnement qui a de l'échelle, et c'est le soleil. Mais cela reste un problème de recherche. Les technologies suivent toutes des lignes ; puis il y a une découverte et une nouvelle ligne qui est meilleure. Nous sommes maintenant sur une ligne très prévisible dans le solaire. La plupart des choses dont vous entendez parler sont des avancées progressives.

ENFANTS : Vous étudiez la photosynthèse pour trouver des idées sur la façon de convertir la lumière du soleil en un carburant chimique, l'hydrogène, à utiliser lorsque le soleil ne brille pas ou pour alimenter des véhicules à pile à combustible.

DN : Vous pouvez utiliser l'électricité directement lorsque le soleil est levé, dans des endroits ensoleillés. [Mais] vous avez besoin de stockage. Il n'y a absolument aucun moyen de contourner cela. Je distille l'essence de la photosynthèse pour pouvoir l'utiliser.

ENFANTS : Pourquoi la photosynthèse est-elle intéressante pour trouver une source d'énergie propre ?

DN : [Photosynthèse] fait trois choses. Il capte la lumière du soleil et [ensuite] la convertit en un courant sans fil – les feuilles bourdonnent d'électricité. Et troisièmement, il fait du stockage. Il stocke l'énergie lumineuse convertie en énergie chimique. Et il utilise cette énergie chimique pour son processus vital, puis il en stocke un peu.

Il s'avère que la photosynthèse est l'une des machines les plus efficaces au monde pour la conversion d'énergie. Mais ce n'est pas génial pour stocker de l'énergie parce que ce n'est pas ce pour quoi [une usine] a été construite. Il a été construit pour vivre, grandir et se reproduire.

Et c'est donc l'approche que nous adoptons. Pouvons-nous maintenant faire ce que la feuille fait artificiellement, c'est-à-dire la capture, la conversion et le stockage dans des liaisons chimiques ? Mais mon appareil n'a pas à vivre : il peut prendre beaucoup plus de cette énergie et la mettre en liaisons chimiques.

ENFANTS : Et vous avez réussi à mettre en pratique ce que vous avez appris.

DN : Nous avons fait un composé qui fait de l'hydrogène en utilisant la lumière. Nous avons quelque chose que vous pouvez dissoudre dans une solution, l'éclairer et l'hydrogène bouillonne. Il ne l'a pas fait aussi efficacement. Mais c'était une grande avancée car il contenait beaucoup de nouveaux concepts pour montrer comment vous pouvez utiliser la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène.

ENFANTS : Quels sont certains des problèmes de recherche que vous abordez et qui, selon vous, peuvent conduire à un grand pas en avant dans le solaire ?

DN : Quelque chose sur lequel nous avons vraiment travaillé dur est [comprendre] les principes de conception sur lesquels opère la photosynthèse.

La première est que lorsque [la photosynthèse] divise l'eau en hydrogène et en oxygène, elle utilise plus d'un électron. Ce courant qui circule va un électron à la fois. Mais alors [la plante] les stocke et utilise quatre électrons à la fois. Nous ne savons pas très bien comment faire des réactions multi-électrons. Nous n'avons même pas de théories pour les décrire.

Et puis il faut gérer les protons – et c'est ce que la biologie fait très bien. Il prend du courant électrique et le convertit ensuite en un courant chimique, et ce qui conduit le courant chimique, ce sont les protons. Et puis il envoie des atomes. Ce qu'un photovoltaïque fait, c'est envoyer des électrons à un point. La photosynthèse envoie en fait non pas un électron mais un atome. Et c'est encore plus difficile à faire parce que les atomes sont tellement plus lourds que les électrons. Nous avons donc approfondi notre compréhension, comment déplacez-vous des atomes [tels que des atomes d'hydrogène] d'un point A à un point B afin qu'ils puissent se joindre les uns aux autres ? Comment les assembler pour qu'ils puissent s'unir ?

ENFANTS : Vous avez écrit que la chimie jouera probablement le rôle le plus central de toutes les sciences dans la résolution des problèmes énergétiques. Comment résumeriez-vous le rôle de la chimie ?

DN : Pour les changeurs de jeu, c'est vraiment facile. Il y en a trois.

Faire du photovoltaïque pas cher, ce qui fait beaucoup de chimie. C'est inventer de nouveaux matériaux pour rendre le PV bon marché.

Remplacez les métaux nobles, comme le platine, par des métaux abondants. Parce qu'il n'y a pas assez de choses. Lorsque vous parlez d'une telle échelle, vous feriez mieux d'utiliser des choses comme le fer et le manganèse. Vous feriez mieux de regarder votre livre qui dit quels sont les éléments les plus abondants sur la face de la terre.

ENFANTS : Et c'est pour les piles à combustible, et aussi pour le photovoltaïque.

DN : Photovoltaïque–tout. C’est le vrai problème technologique que vous devez garder à l’esprit. Ce n'est pas quelque chose d'aussi génial, c'est 100 % efficace - et oh, au fait, j'utilise du ruthénium. Je peux maintenant utiliser le ruthénium pour m'enseigner un principe, mais le ruthénium est en dessous du fer [sur le tableau périodique]. Alors je ferais mieux de comprendre, comment puis-je prendre tout ce que j'apprends avec le ruthénium et l'appliquer au fer ?

ENFANTS : Et le troisième game changer ?

DN : Eau fendue avec lumière. Vous faites ces trois choses, et vous avez une toute nouvelle économie énergétique. Il m'est difficile de dire exactement à quoi ressemblera cette technologie, car la science manque. Mais au début des années 1900, nous avons construit toute une société basée sur un nouveau système énergétique. Et je crois qu'une fois le solaire en place, avec l'aide des biocarburants, avec un peu d'aide du vent, nous réinventerons notre société à partir d'une nouvelle source d'énergie.

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