Les scientifiques tirent de l’énergie de nulle part • Earth.com

Dans une étude novatrice de la Université du Massachusetts à Amherst, les ingénieurs ont démontré le potentiel de production continue d’énergie propre à partir de l’humidité de l’air. Le secret est une structure poreuse à l’échelle nanométrique qui peut être incorporée dans pratiquement n’importe quel matériau.

La recherche, qui est publiée dans la revue Matériaux avancéspourrait révolutionner le secteur des énergies renouvelables et ouvrir la voie à un avenir plus durable.

L’auteur principal de l’article, Xiaomeng Liu, est un étudiant diplômé du College of Engineering de l’UMass Amherst. Liu a exprimé son enthousiasme à propos de la découverte : “Nous ouvrons une grande porte pour récolter de l’électricité propre à partir de l’air.”

L’électricité atmosphérique qui est exploitée avec cette nouvelle technologie est abondante. L’auteur principal de l’étude, le professeur Jun Yao, l’a comparé à un nuage qui, a-t-il noté, est essentiellement une masse de gouttelettes d’eau chargées.

“L’air contient une énorme quantité d’électricité”, a déclaré Yao, “Chacune de ces gouttelettes contient une charge, et lorsque les conditions sont réunies, le nuage peut produire un éclair. Ce que nous avons fait, c’est créer un nuage à petite échelle construit par l’homme qui produit de l’électricité pour nous de manière prévisible et continue afin que nous puissions la récolter.

Le mécanisme remarquable, appelé «effet Air-gen générique», est une extension des travaux antérieurs de Yao et du co-auteur, le professeur Derek Lovley, publiés en 2020. L’étude a démontré que l’électricité pouvait être continuellement récoltée à partir de l’air en utilisant un matériau spécialisé fait de nanofils de protéines, dérivé d’une bactérie nommée Geobacter sulfurreducens.

Selon Yao, l’équipe a réalisé après avoir fait la découverte de Geobacter que la capacité de générer de l’électricité à partir de l’air – qu’ils ont appelé «l’effet Air-gen» – est un processus générique que n’importe quel matériau peut effectuer, étant donné une propriété spécifique. La principale caractéristique est une porosité avec des nanopores inférieurs à 100 nanomètres (nm), soit moins d’un millième de la largeur d’un cheveu humain.

Cette condition concerne un paramètre connu sous le nom de “libre parcours moyen”, qui fait référence à la distance moyenne entre les molécules individuelles d’une substance. Dans ce cas, l’eau dans l’air voyage avant d’entrer en collision avec une autre molécule de la même substance. Dans le contexte de l’humidité de l’air, cette distance est d’environ 100 nm.

Cette prise de conscience a permis à Yao et à son équipe de concevoir un récupérateur d’électricité basé sur le libre parcours moyen. L’appareil comporte une fine couche de matériau rempli de nanopores inférieurs à 100 nm, facilitant le mouvement des molécules d’eau du haut vers le bas.

En raison de la petite taille des pores, les molécules d’eau entrent en collision avec le bord du pore, créant un déséquilibre de charge semblable à celui d’un nuage, la partie supérieure de la couche amassant plus de molécules d’eau porteuses de charge que la partie inférieure. Cela se traduit essentiellement par une batterie fonctionnant en continu, tant qu’il y a de l’humidité dans l’air.

Yao a qualifié l’idée de “simple”, mais a noté sa nouveauté et le potentiel qu’elle ouvre pour l’avenir. “Cela n’a jamais été découvert auparavant et cela ouvre toutes sortes de possibilités.”

La large gamme de matériaux pouvant être utilisés pour construire la moissonneuse signifie qu’elle peut être adaptée à différents environnements et rendue rentable. La production continue d’électricité, quelle que soit l’heure de la journée ou la météo, répond à certains des défis auxquels sont confrontées les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne ou solaire qui dépendent de conditions spécifiques.

Un autre avantage de la technologie réside dans son évolutivité. Étant donné que l’humidité de l’air se diffuse dans un espace tridimensionnel et que l’épaisseur de l’appareil Air-gen n’est qu’une fraction de la largeur d’un cheveu humain, des milliers de ces appareils pourraient être empilés les uns sur les autres.

La possibilité de superposer des appareils sans augmenter considérablement leur empreinte pourrait améliorer considérablement la production d’énergie sans nécessiter d’espace supplémentaire. Un tel appareil Air-gen a le potentiel de générer de l’énergie au niveau du kilowatt, suffisant pour une utilisation électrique standard.

Yao est optimiste quant aux possibilités que cette technologie peut apporter, envisageant un avenir où l’électricité propre sera accessible partout. “Imaginez un monde futur dans lequel l’électricité propre est disponible partout où vous allez”, a-t-il déclaré. La nature universelle de l’effet Air-gen pourrait transformer cette vision en réalité, rendant les énergies renouvelables plus accessibles que jamais.

Cette recherche prometteuse a été rendue possible grâce au soutien de plusieurs organismes, dont le Fondation nationale de la science, Sony Group, Link Foundation et l’Institut des sciences de la vie appliquées (IALS) de l’UMass Amherst. L’IALS est une collaboration interdisciplinaire, s’appuyant sur l’expertise de 29 départements du campus UMass Amherst, engagée à traduire la recherche fondamentale en innovations pratiques pour la santé et le bien-être humains.

En savoir plus sur l’énergie propre

L’énergie propre, également appelée énergie renouvelable, est produite par des sources qui n’épuisent pas les ressources naturelles ou ne nuisent pas de manière significative à l’environnement pendant leur fonctionnement. Voici quelques types courants d’énergie propre :

Énergie solaire

Générée en exploitant la puissance du soleil, l’énergie solaire est devenue de plus en plus populaire en raison de la baisse des coûts des panneaux solaires. Les panneaux solaires convertissent la lumière du soleil en électricité, qui peut être utilisée immédiatement ou stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure. Les fermes solaires peuvent générer de grandes quantités d’électricité, tandis que les installations plus petites peuvent alimenter des bâtiments ou des maisons individuelles.

L’énergie éolienne

Les éoliennes captent l’énergie cinétique du vent et la convertissent en électricité. Les parcs éoliens peuvent être terrestres ou offshore, et ces derniers produisent souvent plus d’énergie en raison d’un vent en mer plus fort et plus constant.

Énergie hydroélectrique

Cette forme d’énergie est générée par l’écoulement de l’eau, souvent à partir de barrages. Le débit de l’eau entraîne des turbines qui génèrent de l’électricité. Bien que l’énergie hydroélectrique soit renouvelable et ne produise aucune émission directe, la construction de barrages peut avoir des impacts environnementaux importants.

L’énergie géothermique

Ce type d’énergie utilise la chaleur interne de la Terre. La vapeur ou l’eau chaude provenant de sous la surface de la Terre est utilisée pour entraîner des turbines et produire de l’électricité. L’énergie géothermique est constante et ne dépend pas des conditions météorologiques, contrairement à l’énergie solaire ou éolienne.

Bioénergie

L’énergie dérivée de matières organiques, telles que les plantes et les déchets, est connue sous le nom de bioénergie. Cela peut être sous forme solide (bois, plantes séchées), liquide (biocarburants comme l’éthanol, le biodiesel) ou gazeuse (biogaz). Bien que la combustion de la biomasse produise des émissions de carbone, elle est considérée comme neutre en carbone si le taux de consommation de la biomasse est durable.

Énergie marémotrice et houlomotrice

Ces types d’énergie marine capturent le mouvement de l’océan. L’énergie marémotrice utilise la montée et la descente régulières des marées côtières pour entraîner des turbines, tandis que l’énergie des vagues exploite la puissance des vagues de surface des océans.

Énergie nucléaire

Bien qu’il ne s’agisse techniquement pas d’une forme d’énergie renouvelable, l’énergie nucléaire est parfois incluse dans les discussions sur l’énergie propre car elle produit de l’électricité sans émettre de dioxyde de carbone. Cependant, il produit d’autres types de déchets radioactifs, qui nécessitent une gestion prudente.

Dans la transition vers un avenir durable, l’énergie propre joue un rôle central. Les innovations, comme celle de l’équipe UMass Amherst qui peut récolter de l’électricité à partir de l’humidité de l’air, représentent des avancées passionnantes. Le développement et l’adoption de ces technologies ont le potentiel de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et d’atténuer les impacts du changement climatique.

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