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Produire de l'électricité aux estuaires avec l'osmose et la lumière
Des chercheurs de l’EPFL travaillent sur une technologie pour exploiter l’énergie osmotique naturellement disponible aux estuaires, là où les rivières et les mers se rencontrent. Dans leur laboratoire, ils ont montré qu’en illuminant un système fait d’eau, de sel et d’une membrane épaisse de trois atomes, on pouvait maximiser la production d’électricité. Le tout en reproduisant les conditions réelles des estuaires (pH et concentration en sel).
La production d’énergie renouvelable dépend le plus souvent de phénomènes climatiques intermittents comme le vent pour l’éolien, ou le soleil pour le photovoltaïque. A l’EPFL, des chercheurs essaient d’exploiter une source d’énergie continue disponible aux estuaires, là où se rencontrent les fleuves et les mers : l’énergie osmotique, ou énergie bleue.
Le phénomène naturel de l’osmose signifie que deux liquides de concentration différentes, séparés par une membrane semi-perméable, tendent à équilibrer leur contenu. Dans le cas de l’eau salée et de l’eau douce, les molécules de sel (des ions électriquement chargés) migrent vers l’eau douce. L’idée consiste à exploiter ce mouvement, pour produire de l’électricité.
A l’EPFL, les chercheurs du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique (LBEN), dirigé par Aleksandra Radenovic à la Faculté des sciences et technique de l'ingpnieur, ont démontré que l’on pouvait booster la production d’électricité par osmose en utilisant de la lumière. Reproduisant les conditions environnementales réelles aux estuaires, ils ont illuminé un dispositif composé d’eau, de sel et d’une membrane épaisse de trois atomes, pour générer de l’électricité. Sous l’effet de la lumière, le dispositif a produit deux fois plus d’électricité qu’il ne le ferait dans l’obscurité. La recherche apparaît dans le journal Joule.
En 2016, une équipe du LBEN avait montré pour la première fois que les membranes en deux dimensions représentaient une révolution potentielle pour exploiter l’énergie osmotique. Seulement jusqu’ici, le système était loin de reproduire les conditions environnementales réelles. (voir encadré)
Un nanopore sélectif
A présent, grâce à l’ajout de lumière, la technologie fait un petit pas de plus vers une application. Le dispositif se compose de deux volumes de liquide, dont la concentration en sel diffère fortement. Ils sont séparés par une membrane de disulfure de molybdène (Mos2). Au centre de la membrane, un trou d’une taille allant de 3 à 10 nanomètres (millionième de millimètres), permet l’échange des ions. Ces derniers migrent depuis la solution la plus concentrée, vers la solution la moins concentrée.
A chaque fois qu’un ion franchit la membrane, un électron est transféré à une électrode et génère du courant.
Plusieurs paramètres influencent la production de puissance du dispositif. La membrane, doit être fine pour maximiser la production de courant, et le nanopore sélectif pour créer une tension entre les deux compartiment, comme dans une pile. Le nanopore doit laisser passer les ions chargés positivement, et repousser la majorité des charges négatives.
L’équilibre est précaire. Le nanopore doit être hautement chargé, et il faudrait fabriquer de multiples nanopores à la taille identique, ce qui est techniquement difficile.
Du soleil pour booster le dispositif
En illuminant le dispositif, les chercheurs peuvent régler le problème. Cela amène des électrons en surface, ce qui augmente la charge de toute la membrane. Résultat : le nanopore est plus sélectif. Le débit de courant est lui aussi augmenté.
«Ces deux effets combinés nous permettent de nous libérer des contraintes de fabrication liées à la taille des nanopores», explique Martina Lihter, chercheuse au LBEN. «Dans l’optique d’une fabrication à large échelle, nous ne serions donc plus obligés de fabriquer des nanopores parfaits et uniformes.»
Pour générer cette lumière dans les estuaires, les chercheurs préconisent d’utiliser la lumière du soleil et de la diriger sur la membrane grâce à un système de miroirs et de lentilles, comme ceux qui sont utilisés dans les concentrateurs solaires dans le domaine photovoltaïque. «En somme, le courant pourrait être produit jour et nuit grâce au phénomène de l’osmose, et la production serait doublée le jour, grâce à la lumière du soleil», ajoute Michael Graf, premier auteur de la publication.
Un chemin encore long avant l’application
Les chercheurs vont maintenant étudier les possibilités de fabriquer une membrane à large échelle, et tenter de trouver la densité optimale de nanopores sur une surface donnée. Une grande quantité de travail reste à faire avant qu’une application réelle voie le jour. La membrane ultra-fine devrait notamment être renforcée, en utilisant par exemple des plaquettes de silicium, qui sont faciles à fabriquer, et peu chères.
Cette recherche, dirigée par le LBEN, est le résultat d’une collaboration entre deux laboratoires de l’EPFL (LANES et LBEN), ainsi que le Department of Electrical and Computer Engineering de l’Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
La recherche est financée par le Fond national suisse de la recherche scientifique (FNS) Consolidator Grant program (grant no.: BIONIC BSCGI0_157802), le CCMX Large Area Growth of 2D Materials for Device Integration project, et l’enable program de l’EPFL.
Michael Graf, Martina Lihter, Dmitrii Unuchek, Aditya Sarathy, Jean-Pierre Leburton, Andras Kis, Aleksandra Radenovic, Light Enhanced Blue Energy Generation using MoS2 Nanopores, Joule