« La photosynthèse artificielle est déjà possible aujourd’hui »

L’électricité ne peut pas être facilement stockée, mais le carburant, oui. C’est pourquoi des experts du monde entier étudient des procédés permettant de générer un carburant durable à partir d’énergies renouvelables. Une approche prometteuse est la photosynthèse artificielle, qui peut être utilisée pour stocker l’énergie solaire dans des liaisons chimiques. Étant donné que le dioxyde de carbone est également lié lors de la photosynthèse, de tels systèmes pourraient même potentiellement rééquilibrer quelque peu le cycle du CO2 de l’atmosphère à long terme. Dans une interview avec World of Physics, Holger Dau de l’Université libre de Berlin explique quelles nouvelles connaissances sur la photosynthèse biologique lui et son équipe ont désormais acquises et comment ces connaissances pourraient faire progresser davantage la photosynthèse artificielle.

Monde de la Physique : Pourquoi vous intéressez-vous à la photosynthèse biologique ?

Holger Dau : Notre motivation initiale pour approfondir nos recherches sur la photosynthèse biologique n’était pas du tout une application technique. La photosynthèse biologique est un processus fantastique qui nous donne de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre et qui a ainsi rendu possible toute vie aujourd’hui. Les plantes, les algues et les bactéries décomposent le dioxyde de carbone et l’eau à l’aide de la lumière du soleil et, grâce à des substances chimiques spéciales – appelées catalyseurs – les recombinent en sucre et en oxygène. Ce processus s’est probablement produit de la même manière depuis trois milliards d’années. Cependant, nous ne l’avons pas encore pleinement compris – changer cela est notre principale motivation. De plus, des tentatives ont été faites depuis plusieurs années pour imiter artificiellement la photosynthèse.

Que signifie exactement la photosynthèse artificielle ?

Lorsque nous parlons de photosynthèse artificielle, nous parlons de dispositifs ou de systèmes qui utilisent l’énergie solaire locale pour produire un carburant ou un matériau précieux – par exemple de l’hydrogène, du méthane ou des alcools techniquement importants. Contrairement à de nombreuses autres technologies, la photosynthèse artificielle ne dépend pas du réseau électrique. Le rêve d’une entreprise serait le suivant : le soleil brille au sommet d’un système et fournit toute l’énergie nécessaire, et le carburant sort par le bas – dans le cas le plus simple, de l’hydrogène. Idéalement, du dioxyde de carbone, c’est-à-dire du CO, est également produit₂lié à l’atmosphère en tant que matière première, semblable à la photosynthèse biologique.

De tels systèmes existent-ils déjà ?

Il existe déjà des dispositifs très proches du cas idéal décrit. Cependant, ces appareils restent très chers. Il existe également des prototypes plus rentables combinant les technologies photovoltaïques et d’électrolyse de l’eau. Dans une étape intermédiaire, ces systèmes convertissent d’abord l’énergie solaire en électricité. L’électricité alimente ensuite ce qu’on appelle un électrolyseur. Il s’agit d’un dispositif de séparation de l’eau dans lequel l’eau est décomposée en ses composants à l’aide du courant électrique – une étape centrale de la photosynthèse artificielle et biologique. À mon avis, de tels systèmes combinés constitueront la première génération de systèmes de photosynthèse artificielle. Et à mon avis, cette première génération pourra être mise en œuvre dans les cinq à dix prochaines années.

Quels défis se posent lors du développement de tels systèmes ?

Dans la photosynthèse artificielle, l’étape de division de l’eau en particulier est associée à des pertes d’énergie élevées. Les métaux précieux, utilisés comme catalyseurs, peuvent réduire quelque peu ces pertes, mais leur disponibilité est limitée. De plus, la plupart des systèmes artificiels fonctionnent avec l’iridium comme catalyseur, un élément beaucoup moins courant que l’or ou le platine. Cela exclut directement la mise à l’échelle de tels systèmes à l’échelle mondiale. Toutefois, dans la photosynthèse biologique, l’élément catalyseur pertinent est le manganèse, qui est très facilement disponible. Par conséquent, l’un des objectifs est que dans la photosynthèse artificielle, tout comme dans la photosynthèse biologique, nous utilisions comme catalyseurs des matériaux facilement disponibles : des métaux tels que le manganèse, le fer, le nickel, le cuivre ou le zinc. Mais nous devons encore découvrir comment il est possible, dans la nature, de diviser l’eau en utilisant de tels métaux non précieux, sans pertes d’énergie élevées.

Cycle de réaction de la photosynthèse

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Avez-vous fait un pas de plus vers cet objectif grâce à vos expériences ?

Grâce à nos expériences, nous avons acquis les connaissances nécessaires pour améliorer les systèmes de photosynthèse artificielle, moins dépendants des matières premières et présentant des pertes d’énergie moindres. Cela permettrait de concevoir spécifiquement des systèmes de séparation artificielle de l’eau basés sur des modèles biologiques sans métaux précieux : avec des catalyseurs basés sur des matériaux courants. Il reste cependant un obstacle : les systèmes biologiques qui réalisent la photosynthèse ne sont pas stables. Lorsqu’elles sont exposées à une lumière intense, des réactions chimiques secondaires sont déclenchées qui rendent inopérante une unité protéique centrale du système. C’est pourquoi cette unité protéique se renouvelle toutes les demi-heures. Un défi majeur pour les systèmes artificiels est de maintenir leur stabilité au fil des années, éventuellement même avec des processus d’auto-réparation similaires, que nous devons encore développer.

Sur quoi avez-vous enquêté exactement ?

Le modèle scientifique du cycle réactionnel de la photosynthèse contient un état jusqu’alors inconnu qui se produit peu de temps avant la formation d’oxygène et que nous appelons « état S4 ». Jusqu’à présent, on ne savait même pas si et comment cet état mystérieux pourrait être atteint, car la barrière énergétique pour la réaction est en réalité trop élevée. Nous nous sommes concentrés sur cet état dans nos expériences et avons constaté que cette barrière énergétique est abaissée en couplant plusieurs étapes de processus. Plus précisément, lorsque les molécules d’eau se divisent, le transfert d’un électron se produit de manière synchrone avec le mouvement de quatre protons. Cela se produit au niveau du catalyseur et c’est la seule manière pour que le passage à l’état S4 soit énergétiquement possible. Cette découverte pourra probablement également être transférée à des systèmes artificiels à l’avenir : les matériaux qui favorisent le transfert spécial d’électrons et de protons lors de l’étape vers l’état S4 conviennent comme catalyseurs pour la division de l’eau. Outre les métaux précieux déjà éprouvés dans la pratique, des composés à base de métaux non précieux sont également possibles – et nous pouvons désormais les concevoir sur la base de modèles biologiques.

Comment avez-vous procédé expérimentalement ?

Il a en fait fallu 15 ans entre la préparation de l’expérience et l’analyse finale des données. Nous avons publié un article dans le magazine Science en 2005 dans lequel nous abordions l’état S4. Cependant, avec nos capacités expérimentales de l’époque, nous ne disposions toujours d’aucune information sur le comportement des protons. Cela a laissé le tableau d’ensemble vague. Nous avons alors eu l’idée d’utiliser la spectroscopie dite infrarouge, même si elle était expérimentalement très complexe. Comme système de test pour la photosynthèse biologique, nous avons utilisé ce que l’on appelle des chloroplastes, que nous avons isolés des épinards. Au lieu de la lumière du soleil, le cycle de réaction est piloté à l’aide d’impulsions laser nanosecondes et nous mesurons les spectres infrarouges des états successifs. Ces spectres infrarouges nous indiquent la vitesse à laquelle les atomes vibrent, ce qui dépend de l’endroit où se trouvent les protons individuels. Cela nous permet de suivre la position des protons tout au long du cycle de réaction. Cela a fonctionné pour la première fois car nous disposons désormais d’informations précises issues de la biologie structurale sur l’apparence du reste du système.

Que souhaites-tu explorer ensuite ?

D’une part, nous étudions plus en détail les processus biologiques d’auto-réparation observés ; D’autre part, outre l’état S4, il existe d’autres étapes complexes dans le cycle réactionnel dont nous avons une idée théorique mais qui n’ont pas encore été prouvées expérimentalement. Nous avons déjà commencé une nouvelle expérience. De plus, nous voulons comprendre dans quelle mesure nous pouvons apprendre des principes biologiques et les transférer à des systèmes non biologiques. Cependant, il est important pour moi de souligner que nos résultats ne représentent qu’une opportunité d’optimisation de la photosynthèse artificielle. Il ne faut donc pas attendre de nouvelles découvertes, mais plutôt recourir le plus rapidement possible à des systèmes de photosynthèse artificielle. Parce que c’est déjà possible aujourd’hui.