L’auteur de l’étude, le professeur Chen Yu-Cheng, avec un tube rempli d’algues et une puce contenant un réseau de microgouttelettes.
Recréer le processus de photosynthèse, par lequel les plantes convertissent naturellement la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone en énergie chimique pour alimenter leur existence, est un objectif clé de la recherche sur les énergies renouvelables. Une nouvelle étude de la Nanyang Technological University (NTU) de Singapour pourrait contribuer à ces efforts. Les scientifiques de cette université ont démontré que le fait d’enfermer les algues dans de minuscules gouttelettes peut tripler leurs capacités naturelles de récolte d’énergie, ce qui constitue une nouvelle étape vers la viabilité commerciale de cette technologie.
L’efficacité relativement faible des solutions mises au point jusqu’à présent est l’un des défis que doivent relever les scientifiques travaillant sur la photosynthèse artificielle. Alors que les panneaux solaires convertissent généralement la lumière du soleil en énergie avec un rendement d’environ 20 %, les technologies actuelles de photosynthèse artificielle ont un rendement d’environ 4 ou 5 %, selon l’équipe de la NTU.
« La photosynthèse artificielle n’est pas aussi efficace que les cellules solaires pour produire de l’électricité », explique le responsable de l’étude, le professeur adjoint Chen Yu-Cheng. « Cependant, elle est plus renouvelable et durable. En raison de l’intérêt croissant pour les technologies écologiques et renouvelables, l’extraction d’énergie à partir des protéines de capture de la lumière dans les algues a suscité un intérêt considérable dans le domaine de la bioénergie. »
Les protéines au centre des recherches de M. Cheng sont connues sous le nom de phycobiliprotéines, qui sont responsables de l’absorption de la lumière dans les cellules d’algues, et ce dans toutes les longueurs d’onde du spectre. Les scientifiques ont entrepris de renforcer leur capacité à transformer la lumière captée en énergie, et leur méthode révolutionnaire consiste à encapsuler des algues rouges dans de minuscules gouttelettes de cristaux liquides de 20 à 40 microns seulement.
Lorsque la lumière frappe la gouttelette, ses bords incurvés induisent ce que les chercheurs appellent le « mode galerie de chuchotements », dans lequel la lumière se déplace autour du périmètre et est effectivement piégée à l’intérieur de la gouttelette pendant plus longtemps. Et plus la lumière est piégée à l’intérieur pendant longtemps, plus la photosynthèse a de chances de se produire. Les électrons générés peuvent ensuite être capturés à l’aide d’électrodes.
« La gouttelette se comporte comme un résonateur qui confine une grande quantité de lumière », explique Chen Yu-Cheng. « Les algues sont ainsi plus exposées à la lumière, ce qui augmente le taux de photosynthèse ». Un résultat similaire peut être obtenu en recouvrant l’extérieur de la gouttelette avec la protéine de l’algue également. En exploitant les microgouttelettes comme support pour les biomatériaux capteurs de lumière, le fort renforcement du champ électrique local et le confinement des photons à l’intérieur de la gouttelette ont permis une production d’électricité nettement supérieure. »
Selon Chen, le traitement des gouttelettes par l’équipe augmente la production d’énergie de deux à trois fois par rapport à une protéine d’algue non traitée. Le fait que les gouttelettes puissent être produites en vrac et à faible coût joue en faveur de l’équipe qui cherche à étendre cette technologie. Ces gouttelettes pourraient même être produites sous des formes plus grandes pour envelopper les algues qui poussent dans les masses d’eau, qui pourraient à leur tour servir de générateurs d’énergie flottants.
« Les microgouttelettes utilisées dans nos expériences peuvent être mises à l’échelle pour produire des gouttelettes plus grandes, qui peuvent ensuite être appliquées aux algues en dehors d’un environnement de laboratoire pour créer de l’énergie », déclare Chen Yu-Cheng. « Bien que certains puissent considérer la croissance des algues comme inesthétique, elles jouent un rôle très important dans l’environnement. Nos résultats montrent qu’il existe un moyen de convertir ce que certains pourraient considérer comme des « déchets biologiques » en bioénergie. »
Une autre possibilité consiste à exploiter cette technologie pour améliorer les performances des cellules solaires organiques. Nous avons examiné un exemple intéressant de cela en 2017, où les scientifiques ont montré comment l’incorporation d’un type d’algues appelé diatomée pouvait améliorer l’efficacité d’une cellule solaire, en piégeant et en diffusant la lumière pour une récolte plus efficace.
Ainsi, cette nouvelle étude ne se contente pas de mettre au jour un nouveau mécanisme permettant d’améliorer la photosynthèse artificielle, mais elle enrichit notre compréhension de la manière dont les biomatériaux interagissent avec la lumière et de la façon dont ces connaissances peuvent être exploitées dans la recherche d’une énergie propre.
