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La course pour inventer la feuille artificielle
Dans cet extrait de son nouveau livre Apprivoiser le soleil , Varun Sivaram suit les voies de recherche de deux scientifiques rivaux déterminés à trouver un moyen d'extraire du carburant à partir de rien. 21 février 2018
Santtu Mustonen
Depuis le début des années 1970, les scientifiques ont cherché à développer une technologie qui pourrait créer des carburants liquides à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de lumière solaire beaucoup plus efficacement que la photosynthèse, le processus par lequel les plantes exploitent la lumière solaire pour produire des glucides et stocker de l'énergie. Ils l'appellent la feuille artificielle.
Une feuille artificielle commercialement viable résoudrait plusieurs des défis les plus délicats en matière d'énergie propre. Cela créerait un moyen de stocker directement et à moindre coût l'énergie solaire tout en produisant un carburant neutre en carbone qui pourrait transformer le secteur des transports, offrant même un moyen de rendre les voyages aériens longue distance écologiquement durables.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2018
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Les scientifiques ont fait des progrès lents mais considérables sur les deux étapes cruciales du processus : développer des catalyseurs qui utilisent l'énergie solaire pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène, et en créer d'autres capables de convertir l'hydrogène et le dioxyde de carbone en un carburant à haute densité énergétique. L'astuce restante est de combiner ces tâches de manière abordable et évolutive, en utilisant des matériaux bon marché et abondants.
Dans l'extrait suivant de son nouveau livre, Varun Sivaram, physicien et membre du Council on Foreign Relations, explore les progrès récents et les voies de recherche divergentes de deux scientifiques rivaux déterminés à enfin livrer et commercialiser la feuille artificielle : Nathan Lewis de Caltech et Daniel Nocera à l'Université de Harvard.
Récemment, lors d'une douce soirée à Beverly Hills, des membres du Council on Foreign Relations se sont réunis à l'hôtel Peninsula pour écouter un scientifique partager sa vision de la création d'une feuille artificielle.
Parmi la collection de cadres et d'anciens ambassadeurs, la plupart ne savaient pas à quoi s'attendre. Quelques regards nerveux échangés alors que je présentais les références de l'orateur, peut-être en prévision d'un cours de physique abstrus.
Mais mon invité ce soir-là, Nate Lewis, professeur au California Institute of Technology (Caltech), est une rareté parmi les scientifiques pour sa capacité à condenser des concepts complexes en extraits sonores mémorables et à tisser ses divers volets de recherche dans un récit convaincant. Lewis, dont les cheveux gris témoignent des décennies qu'il a passées à chasser une feuille artificielle, a lancé ses remarques sur l'avenir de l'énergie solaire avec ce refrain lapidaire : Vous ne pouvez pas stocker ? Pas de courant après quatre heures.
Cet échec, a-t-il soutenu de sa voix basse et traînante, signifie que nous devons développer de toute urgence des technologies capables de stocker l'énergie du soleil dans un carburant qui peut être utilisé en cas de besoin. Son itinéraire préféré, un générateur de carburant solaire intégré, est un appareil élégant qui absorbe l'eau et la lumière du soleil et recrache de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. Cet hydrogène peut ensuite être utilisé pour alimenter des véhicules, générer de l'électricité pour le réseau ou servir de matière première pour fabriquer des carburants plus complexes tels que l'essence.
Lewis, également chercheur principal au Centre conjoint de photosynthèse artificielle financé par le gouvernement fédéral, souhaite que sa feuille artificielle surpasse les meilleures plantes de la nature. Les plantes, malgré tout leur succès, sont en fait terribles pour convertir la lumière du soleil en énergie. Même si vous ne savez rien sur le fonctionnement de la photosynthèse, vous pouvez dire d'après la couleur verte des feuilles qu'une conversion d'énergie totalement efficace n'est peut-être pas la priorité absolue d'une plante (les feuilles noires absorberaient bien mieux les rayons du soleil). Les chloroplastes verts dans les cellules foliaires fonctionnent assez bien pour les besoins d'une plante. Ils effectuent des réactions chimiques complexes qui, alimentées par l'énergie du soleil, transforment le dioxyde de carbone et l'eau en sucres stockant l'énergie nécessaires à des activités telles que la survie et la reproduction. En fin de compte, les plantes les plus efficaces convertissent à peine 1 % de la lumière solaire entrante en énergie stockée.
La végétation offre néanmoins un modèle générique pour transformer la lumière du soleil en carburant. Au début de la photosynthèse, les plantes séparent l'eau et génèrent de l'hydrogène et de l'oxygène. L'oxygène va dans l'atmosphère, tandis que l'hydrogène alimente les réactions chimiques ultérieures.
La façon dont les plantes accomplissent cette séparation de l'eau est instructive. La première leçon est qu'ils séparent les deux moitiés de la réaction chimique de séparation de l'eau, c'est-à-dire les demi-réactions qui produisent de l'hydrogène et de l'oxygène. L'évolution n'était pas pyromane, et ce choix de conception empêche l'hydrogène de brûler spontanément en présence d'oxygène. Deuxièmement, la plante contient des catalyseurs, ou des molécules qui accélèrent les demi-réactions. Troisièmement, les plantes séparent les deux demi-réactions avec une membrane qui non seulement sépare l'hydrogène et l'oxygène, mais permet également aux ions chargés de la traverser, ce qui est important pour éviter un déséquilibre de charge.
Les chercheurs qui développent des générateurs de carburant solaire doivent également assembler un ensemble similaire de composants. Deux matériaux connus sous le nom de photoélectrodes sont immergés dans l'eau et absorbent l'énergie lumineuse pour effectuer chacune des deux demi-réactions pour séparer l'eau. Deux catalyseurs accélèrent chacune de ces demi-réactions. Et une membrane empêche l'ensemble de l'engin - appelé cellule photoélectrochimique (PEC) - d'exploser.
Mais les similitudes s'arrêtent là. Comme Lewis aime à le dire, après s'être inspirés des oiseaux à plumes, les humains ont abandonné les plumes et ont inventé le 747. Contrairement aux plantes, les générateurs solaires à combustible du futur n'utiliseront probablement pas deux photoélectrodes vertes qui se font concurrence pour absorber la même partie de le spectre du soleil. Au contraire, l'une d'elles - l'anode, qui crée de l'oxygène à partir de l'eau - devrait exploiter les couleurs de la lumière vers l'extrémité bleue du spectre et laisser passer les couleurs vers l'extrémité rouge du spectre pour être absorbées par la cathode en dessous, qui produit de l'hydrogène.
Produire une énergie abordable nécessitera des matériaux extrêmement bon marché et abondants. Mais ce n'est pas tout ce que le PEC a à faire. Pour réussir, il doit être non seulement bon marché, mais aussi sûr, robuste et efficace. Malheureusement, jusqu'à présent, les chercheurs n'ont réussi à créer que des appareils ne présentant pas plus de trois de ces quatre caractéristiques.
Commencez par la sécurité. Pour empêcher l'hydrogène et l'oxygène de se combiner et d'exploser, un PEC a besoin d'une membrane qui sépare les deux demi-réactions. Mais la demi-réaction qui produit de l'oxygène à partir de l'eau rend également cette eau acide, tandis que la demi-réaction qui produit de l'hydrogène transforme l'eau voisine en basique. Les scientifiques doivent trouver des matériaux pour les photoélectrodes et les catalyseurs qui ne se dissolvent pas ou ne se corrodent pas dans les milieux acides ou basiques. Cette demande exclut de nombreux matériaux bon marché qui ne survivraient pas dans de telles conditions. Par conséquent, fabriquer un générateur de carburant solaire à partir de matériaux bon marché et l'équiper d'une membrane pour assurer la sécurité peut le faire échouer au test de robustesse.
Ensuite, considérez la quantité d'énergie solaire que l'appareil convertit en énergie stockée sous forme d'hydrogène. Cette efficacité dépend de la façon dont les photoélectrodes absorbent collectivement la lumière du soleil et de la vitesse à laquelle les deux demi-réactions séparent l'eau. Avec des photoélectrodes et des catalyseurs soigneusement choisis, un générateur de carburant solaire peut théoriquement atteindre plus de 30 % d'efficacité. Les semi-conducteurs coûteux offrent un choix varié de matériaux, mais les composés moins chers présentent un menu beaucoup plus limité. De même, les catalyseurs de métaux précieux tels que le platine sont excellents pour accélérer les réactions, mais ils sont rares et coûteux. L'équipe interdisciplinaire de chercheurs que Lewis a dirigée a lancé une puissance de calcul massive sur le problème de la recherche de matériaux pouvant satisfaire aux quatre critères, simulant systématiquement des milliers de composés et testant les candidats les plus prometteurs en laboratoire.
La bonne vieille intuition scientifique a également joué un rôle important dans le processus de recherche, tout comme un peu de chance. Deux exemples se distinguent. Tout d'abord, Lewis et ses collaborateurs se sont inspirés des catalyseurs utilisés dans les raffineries de pétrole pour éliminer le soufre polluant l'air des produits pétroliers. Ces catalyseurs sont bon marché et excellent pour accélérer la demi-réaction qui produit de l'hydrogène. (Malheureusement, les chercheurs sont toujours à la recherche d'un catalyseur bon marché et efficace pour la demi-réaction de production d'oxygène.)
Deuxièmement, les chercheurs du laboratoire de Lewis ont accidentellement recouvert leurs échantillons d'une fine couche de dioxyde de titane et ont trouvé un résultat surprenant. Le dioxyde de titane est l'ingrédient clé de la crème solaire, qui protège votre peau en bloquant les rayons ultraviolets du soleil. Ici, cependant, le revêtement ultrafin a joué un rôle totalement différent, protégeant les photoélectrodes et les catalyseurs d'être rongés par la solution de base.
Ensemble, les connaissances empruntées à l'industrie pétrolière et la découverte accidentelle de crème solaire ont permis à Lewis et à ses collègues chercheurs de Caltech de faire une percée. En 2015, ils ont annoncé un générateur de carburant solaire intégré qui était efficace à plus de 10 % pour convertir la lumière du soleil en hydrogène. L'efficacité elle-même n'était pas un grand bond en avant - d'autres avaient atteint 22% d'efficacité. Mais l'appareil Caltech utilisait des catalyseurs bon marché et abondants sur Terre, et il était capable de pomper de l'hydrogène pendant deux jours de fonctionnement continu. En tant que preuve de concept, il a taquiné la possibilité d'un produit commercialement viable sur la route.
Si et quand cette technologie mène à un produit commercial, il est peu probable qu'il ressemble aux feuilles qui l'ont inspiré. Lewis envisage une bâche, déroulée sur une vaste étendue pour absorber les rayons du soleil, avec des tuyaux de drainage pour recueillir l'hydrogène qu'elle produit. C'est loin du prototype d'un centimètre cube créé par son équipe, mais, en écoutant la vision de Lewis, il est difficile de ne pas rêver grand.
Le Saint-Graal
À travers le pays de Nate Lewis, un autre scientifique de renom est également en quête de commercialisation d'une feuille artificielle. Comme Lewis, Dan Nocera à l'Université de Harvard combine habilement science et communication, travaillant au noir comme une célébrité scientifique - quelque chose d'un Carl Sagan pour les combustibles solaires. Il a le don de se connecter avec divers publics, des rassemblements scientifiques de l'American Physical Society aux sommets de l'Aspen Institute. Si ses convives mangent du steak, il les réchauffera en leur demandant : qu'est-ce que vous venez de mâcher ? Le soleil! Le bœuf n'était que l'énergie de la lumière du soleil.
Bien que Lewis et Nocera partagent les cheveux gris, la capacité d'engager un large public et le même superviseur lorsqu'ils étaient aux études supérieures, leurs approches pour réaliser une feuille artificielle sont radicalement différentes, ce qui entraîne une rivalité professionnelle animée. Alors que Lewis se concentre sur la production d'hydrogène au laser, Nocera veut dépasser l'hydrogène et construire un appareil qui exploite la lumière du soleil pour produire directement des carburants pratiques contenant du carbone qui peuvent immédiatement remplacer les produits pétroliers d'aujourd'hui.
Pendant un temps, Nocera s'est contentée de se concentrer uniquement sur la production d'hydrogène. En 2011, il a attiré l'attention du monde scientifique en plaçant ce qui ressemblait à un timbre-poste sombre dans un verre d'eau, provoquant la formation de bulles d'hydrogène et d'oxygène de chaque côté. Malgré sa simplicité, sa feuille artificielle était l'aboutissement de 30 ans de recherche, remontant à ses jours en tant qu'étudiant diplômé à Caltech. Après avoir fait la percée, Nocera a entrepris de mettre sa nouvelle technologie sur le marché.
Malheureusement, il était sur le point d'apprendre la leçon que presque toutes les autres startups d'énergie propre de la Silicon Valley ont apprise : la partie la plus difficile vient après faire une découverte de laboratoire passionnante. Il se lamenterait plus tard, j'ai fait un Saint Graal de la science. Super! Cela ne veut pas dire que j'ai fait un Saint Graal de la technologie. Et c'est ce que les scientifiques et les professeurs ne comprennent pas. Sa startup, Sun Catalytix, a fini par s'éloigner du carburant solaire pour développer des batteries pour stocker l'énergie pour le réseau électrique (Lockheed a acheté l'entreprise pour un montant non divulgué en 2014).
Mais l'expérience ne l'a pas empêché de poursuivre le Saint Graal, alors maintenant, Nocera poursuit l'objectif encore plus difficile d'exploiter la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone pour produire des carburants liquides à base de carbone. Les avantages potentiels d'une telle technologie sont convaincants. Les combustibles liquides disposent déjà d'énormes réseaux d'infrastructures mondiales, notamment des installations de stockage, des pipelines transcontinentaux et des superpétroliers, sans parler des stations-service omniprésentes dans le monde. Un appareil qui pourrait transformer la lumière du soleil en carburants déjà couramment utilisés pourrait se greffer sur cette infrastructure.
Lewis soutient que la voie la plus prometteuse pour fabriquer des carburants à base de carbone à partir de la lumière du soleil implique l'hydrogène généré par l'énergie solaire comme intermédiaire. À partir de là, des processus industriels bien compris pourraient combiner l'hydrogène avec le dioxyde de carbone - capturé dans les usines et les centrales électriques qui brûlent des combustibles fossiles - pour produire une gamme de carburants utiles connus sous le nom d'hydrocarbures. Une raffinerie solaire pourrait créer la même gamme de carburants hydrocarbonés qui sont produits aujourd'hui dans les raffineries de pétrole, puis utilisés comme carburants de transport ou convertis en une gamme de produits allant des plastiques aux produits pharmaceutiques.
Aussi futuriste que tout cela puisse paraître, Nocera veut faire quelque chose d'encore plus difficile. Il veut contourner la production intermédiaire d'hydrogène et utiliser la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone pour directement produire des carburants contenant du carbone. Si cette manœuvre pouvait être effectuée de manière rentable et à grande échelle, ce serait la méthode la plus efficace et la plus simple pour stocker la lumière du soleil dans les carburants les plus polyvalents connus de l'humanité.
D'un point de vue scientifique, cette tâche semble presque impossible. Le simple fait de diviser l'eau pour générer de l'hydrogène et de l'oxygène est déjà assez difficile. Mais créer l'hydrocarbure le plus simple - le méthane à un seul carbone, qui constitue le gaz naturel - est une proposition beaucoup plus complexe. Cela nécessitera la découverte d'encore plus de nouveaux matériaux pour absorber la lumière et catalyser les réactions chimiques. En conséquence, une technologie commerciale pour fabriquer des carburants à base de carbone directement à partir de l'énergie solaire est beaucoup plus éloignée que celle qui peut produire de l'hydrogène.
Néanmoins, au cours des trois dernières années, Nocera a réalisé une série de percées improbables. Le premier était un changement conceptuel : au lieu d'utiliser des dispositifs artificiels pour battre la photosynthèse, pourquoi ne pas exploiter la nature à la place ? Nocera savait que la nature utilise des enzymes complexes comme catalyseurs dans la photosynthèse pour convertir la lumière du soleil en sucres complexes. Il s'est rendu compte que les bactéries génétiquement modifiées pouvaient se comporter de la même manière après avoir été équipées d'un arsenal d'enzymes puissantes.
Ainsi, en 2015, Nocera a construit un appareil hybride qui a d'abord séparé l'eau à l'aide d'un catalyseur inorganique pour produire de l'hydrogène, comme le font d'autres technologies de feuilles artificielles. Le même appareil a ensuite fourni l'hydrogène, ainsi que du dioxyde de carbone pur, aux bactéries, qui ont produit des carburants liquides. Mais bien que les insectes aient été formidables pour convertir le dioxyde de carbone et l'hydrogène en une variété de carburants, ils étaient incompatibles avec le catalyseur inorganique, qui produisait des formes d'oxygène réactif qui détruisaient l'ADN de la bactérie.
Puis en 2016, Nocera et ses collègues ont publié un article dans la revue La science annonçant triomphalement un nouveau catalyseur, fabriqué à partir d'un alliage cobalt-phosphore. Cela a non seulement laissé les bactéries indemnes, mais aussi auto-assemblées hors de la solution, imitant les catalyseurs d'auto-guérison trouvés dans la nature. Avec le catalyseur et les bactéries travaillant ensemble en harmonie, l'appareil de Nocera a pu atteindre une efficacité de 10 % dans la conversion de la lumière du soleil en alcool. Nocera a indiqué que les insectes devraient être capables de produire plusieurs autres molécules contenant du carbone pour une gamme d'applications allant du ravitaillement en carburant des véhicules à la production de plastiques. Et il a poursuivi en démontrant en 2017 qu'une approche hybride catalyseur-plus-bactérie pouvait fixer l'azote dans l'atmosphère pour produire de l'ammoniac. C'est une découverte alléchante car plus de 1% de l'énergie mondiale est utilisée aujourd'hui dans la production d'ammoniac pour fertiliser les cultures et nourrir le monde. Le prototype de Nocera suggère qu'un jour, la lumière du soleil pourrait alimenter ce processus plutôt que les combustibles fossiles.
Le jury ne sait toujours pas si la décision de Nocera d'exploiter des organismes vivants est une bonne idée. En effet, les bactéries sont assez pointilleuses, sensibles à l'acidité et à la température de leur environnement, et donc difficiles à concevoir. L'argent intelligent, pour l'instant, concerne les appareils qui exploitent la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène et progressent plus rapidement que ceux qui tentent de produire directement des carburants à base de carbone. Mais, en combinant des matériaux modernes avec la magie de la nature, les chercheurs peuvent encore dépasser l'hydrogène simple à la recherche d'une voie viable vers le Saint Graal ultime : des substituts 100 % propres et instantanés aux combustibles fossiles.
Extrait de Apprivoiser le soleil : des innovations pour exploiter l'énergie solaire et alimenter la planète par Varun Sivaram, publié par MIT Press. 2018 Massachusetts Institute of Technology. Tous les droits sont réservés.