"Nous créons de l'électricité à partir de rien" : la nouvelle source d'énergie renouvelable aléatoire basée sur l'air humide

La science n'avance pas seulement avec un coup d'esprit. Parfois, elle le fait par pur hasard. C'est arrivé il y a quelque temps au professeur Jun Yao, de l'Université du Massachusetts (UMass) Amherst, alors qu'il travaillait sur un capteur d'humidité de l'air. Le projet n'avait pas de complexités majeures. Ses conclusions oui. Des choses aléatoires. Alors qu'il travaillait sur l'appareil, un étudiant a oublié de le brancher, mais au grand étonnement de Yao et de ses collègues, le réseau de tubes microscopiques et de nanofils a continué à générer un faible signal électrique. Ils ont continué à enquêter depuis. Et avec des résultats prometteurs.

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Produire de l'électricité à partir de "rien" ? L'expression vient de l'UMAss qui, début 2020, gonflait ce que ses chercheurs avaient réalisé : développer un appareil qui utilise essentiellement une protéine naturelle pour générer de l'électricité à partir de rien, une formule gimmicky qui fait en réalité référence à quelque chose de bien plus classique mais tout aussi surprenant : l'humidité de l'air.

Leurs travaux ont été publiés dans Nature, où l'ingénieur Jun Yao et le microbiologiste Derek Lovley ont expliqué comment ils avaient fabriqué un appareil avec des nanofils protéiques issus de la bactérie Geobacter sulphurreducens. Le nom de votre contribution : Air-gen. En connectant des électrodes aux conduits très fins, de quelques microns d'épaisseur seulement, un courant électrique est généré à partir de l'humidité.

"Nous créons littéralement de l'électricité à partir de rien", a célébré Yao. La technologie était non polluante et offrait une solution renouvelable à faible coût capable de générer de l'énergie même à l'intérieur et dans des zones particulièrement sèches, comme le désert du Sahara. Déjà à l'époque, son objectif était d'aller plus loin et de transférer son invention à une échelle commerciale, en développant des appareils capables d'alimenter de petits appareils électroniques, tels que des montres intelligentes, des capteurs conçus pour surveiller la santé de leurs utilisateurs ou même des smartphones .

L'équipe UMass n'était pas satisfaite de la découverte divulguée en 2020 et a continué à travailler, ce qui leur a permis de publier un article dans Advanced Materials. Et si ses conclusions d'il y a trois ans étaient prometteuses, celles-ci ne le sont pas moins. Son étude a montré que presque n'importe quel matériau peut être transformé en un appareil capable de capter l'électricité de l'humidité. Pour y parvenir, ils sont passés des nanofils aux minuscules perforations. La clé est qu'il intègre des nanopores d'un diamètre inférieur à 100 nanomètres, soit moins d'un millième de cheveu humain.

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"Ce que nous avons réalisé après avoir fait la découverte de Geobacter, c'est que la capacité de générer de l'électricité à partir de l'air, ce que nous appelons 'l'effet Air-gen', s'avère être générique : littéralement, n'importe quel type de matériau peut récolter de l'électricité à partir de l'air, tant qu'il a une certaine propriété", explique Yao qui se réjouit que, bien que "simple", son idée "ouvre toutes sortes de possibilités".

"L'air contient une énorme quantité d'électricité", se souvient le professeur de génie électrique et informatique de l'UMass avant d'utiliser des comparaisons pour expliquer sa proposition : "Pensez à un nuage, qui n'est rien de plus qu'une masse de gouttelettes d'eau. Chacune de ces gouttelettes contient un charger, et lorsque les conditions sont réunies, le nuage peut produire des éclairs, mais nous ne savons pas comment capter de manière fiable l'électricité de la foudre, donc ce que nous avons fait, c'est créer un nuage à petite échelle construit par des humains qui produit de l'électricité de manière prévisible".

Le coeur de ce "nuage" repose sur les travaux développés par Lovley et Yao lorsqu'ils ont pointé les possibilités d'un matériau constitué de nanofils protéiques cultivés avec Geobacter sulphurreducens. S'ils utilisent des nanopores de 100 nm, c'est parce que c'est le "libre parcours moyen" des molécules d'eau, le chemin qu'une molécule parcourt avant d'en rejoindre une autre similaire. Ce qu'ils proposent, c'est d'utiliser une couche pleine de nanopores qui permettent aux molécules d'eau de passer du haut vers le bas. Puisque la première couche serait "bombardée" par plus de molécules porteuses de charges, un déséquilibre se crée, comme dans un nuage.

En 2020, des chercheurs pointaient déjà les possibilités de l'Air-gen, tant dans le domaine des énergies renouvelables que dans la conception de certains dispositifs médicaux. Sa démarche trois ans plus tard est toujours aussi ambitieuse : "L'humidité dans l'air est une grande réserve d'énergie durable qui, contrairement à l'énergie solaire ou éolienne, est disponible en permanence", indique l'essai dans Advanced Materials. Leur proposition de capter l'énergie de l'humidité peut également être appliquée, selon eux, à une "large gamme" de matériaux tant qu'ils ont des nanopores qui permettent à l'eau de passer à travers.

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"Nous ouvrons une grande porte pour obtenir de l'électricité propre à partir de l'air", se réjouit Xiaomeng Liu, l'un des auteurs de l'article. De l'UMass, ils soulignent également que l'humidité est toujours présente, ce qui permettrait d'obtenir de l'énergie 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et résoudrait l'un des handicaps des énergies renouvelables comme l'éolien ou le solaire : les intermittences, qui entraînent des inadéquations entre quand les systèmes produisent de l'énergie et quand elle est réellement demandée.

Non. L'hydroélectricité, l'électricité issue de l'humidité, a attiré d'autres chercheurs, qui ont eux aussi avancé sur la voie. On vous parlait en effet il y a peu de Catcher, un projet soutenu par l'Union Européenne et qui aspire à transformer l'humidité de l'atmosphère en électricité. Svitlana Lyubckyk et ses enfants, promoteurs de CascataChuva, sont impliqués dans l'initiative. "Nous avons développé une solution technologique révolutionnaire pour produire de l'électricité grâce à la conversion directe de l'énergie d'absorption de l'humidité, en développant un dispositif d'humidité atmosphérique en électricité très innovant", détaillent-ils sur leur site Web.

Cet article a été écrit en collaboration avec nos collègues de Xataka.