Des branchies artificielles pour des robots sous-marins à longue portée

Ce qui est bon pour les poissons peut également être bon pour les robots, puisque des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon ont développé une branchie artificielle capable d'extraire l'oxygène de l'eau de mer pour faire fonctionner des piles à combustible afin d'alimenter des planeurs marins robotisés lors de longues missions.

Les planeurs sous-marins sont devenus un outil de plus en plus précieux pour la recherche océanographique. Abandonnant les hélices et les propulseurs traditionnels, ils se déplacent grâce à une propulsion à flottabilité variable, ce qui est une façon peu judicieuse de dire qu'ils se propulsent en s'élevant dans l'eau puis en utilisant des hydroptères pour contrôler leur direction lors de leur descente.

Ce n'est pas très rapide, mais c'est économique et cela permet aux planeurs d'effectuer de longues missions sur des milliers de kilomètres pour surveiller les conditions océaniques, rechercher la pollution et effectuer des reconnaissances militaires en plongeant à des profondeurs allant jusqu'à 1 000 m. Ils sont également beaucoup moins chers à exploiter que les navires de recherche, alors quel est le problème ?

Le hic dans la mer profonde, c'est l'alimentation des planeurs. Des batteries sont nécessaires pour faire fonctionner les capteurs, les enregistreurs et les systèmes de télémétrie, mais les batteries au lithium sont classées comme contenant des matières dangereuses soumises à des réglementations strictes en matière de sécurité et d'environnement.

De plus, les batteries au lithium ont leurs limites techniques. Elles sont sensibles à la pression, risquent de fuir si les joints sont endommagés, peuvent être gravement endommagées par l'eau de mer, supportent mal les températures froides et peuvent libérer des produits chimiques dangereux.

Les ingénieurs de Hereon, Dr Lucas Merckelbach et Dr Prokopios Georgopanos, ont étudié une alternative plus sûre et moins restrictive : les piles à combustible, qui convertissent l'hydrogène et l'oxygène en électricité. L'hydrogène est assez facile à stocker jusqu'à ce qu'il soit prêt. Il suffit de le stocker dans un récipient contenant des hydrures métalliques qui absorbent l'hydrogène jusqu'à ce qu'il soit nécessaire. L'oxygène est une autre affaire. Il pèse huit fois plus que l'hydrogène dans l'eau et est très difficile à stocker même dans des conditions cryogéniques.

Hereon répond qu'il ne faut même pas s'en soucier. Au lieu de cela, l'institution de recherche à but non lucratif a mis au point une membrane polymère de silicone avancée qui présente une perméabilité élevée à l'oxygène, mais qui est hydrophobe pour empêcher l'eau de s'infiltrer. Dans la mer, la concentration plus élevée en oxygène du côté humide permet aux atomes d'oxygène de migrer à travers la membrane pour être collectés par un flux d'air de recirculation interne et acheminés vers une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) où ils se combinent à l'hydrogène pour produire de l'électricité, l'eau étant le seul déchet.

Selon l'équipe, la conception modulaire du système permet de gérer diverses conditions sous-marines, notamment les changements de température, de salinité et de pression de l'eau, afin de garantir un apport constant en oxygène. De plus, des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD: Computational Fluid Dynamics) optimisent l'écoulement de l'eau autour de la membrane.

Outre la membrane, il existe un système de gestion thermique pour évacuer la chaleur générée par la pile à combustible et, ironiquement, une batterie au lithium pour stocker l'énergie en période de pointe. Les tests en laboratoire indiquent un facteur de conversion de 50 % ou équivalent aux systèmes de stockage d'oxygène dans des conditions sous-marines.

« Ce système élimine le besoin de stockage d'oxygène à bord », précise Prokopios Georgopanos. « Le poids et le volume économisés peuvent être utilisés pour un stockage supplémentaire d'hydrogène, ce qui permet une densité énergétique plus élevée et des coûts d'exploitation inférieurs par rapport aux solutions de batteries actuelles. »

https://www.hereon.de/innovation_transfer/communication_media/news/116334/index.php.en

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202410358