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La photosynthèse artificielle crée du méthane et du butanol à partir de la lumière du soleil et d’eau

by Lindsay Jolivet oct. 9 / 15
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En s’inspirant de la photosynthèse des plantes, des chercheurs ont créé deux systèmes qui utilisent la lumière du soleil et l’eau pour produire du méthane, le composant principal du gaz naturel, et du butanol, qui peut servir de carburant pour véhicule.

Ces deux processus ont recours à des nanomatériaux qui absorbent l’énergie solaire et à des microorganismes qui utilisent l’énergie, en plus du dioxyde de carbone, pour produire des produits chimiques utiles. Le spécialiste des matériaux Peidong Yang (Université de la Californie à Berkeley), Boursier principal au sein du programme Énergie solaire bioinspirée de l’ICRA travaille au développement de ce concept avec ses collaborateurs depuis plus de dix ans.

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Diagramme illustrant comment utiliser l’énergie solaire pour produire du méthane et autres carburants utiles. Il faut d’abord capter l’énergie solaire qui est ensuite utilisée pour produire de l’hydrogène à partir d’eau. Des microorganismes absorbent cet hydrogène et l’utilisent pour créer le produit final.
Photo : Proceedings of the National Academy of Sciences

« Nous avons appris cela de la nature », dit Yang. Le processus reproduit le même système que les plantes utilisent pour la photosynthèse : absorber la lumière du soleil et la convertir en énergie chimique, comme le sucre et le glucose.

Les chercheurs ont réalisé leur première grande percée en avril grâce à un système qui utilise des nanofils semiconducteurs pour exploiter la lumière du soleil et la transformer en électrons. Des bactéries absorbent ensuite ces électrons pour produire de l’acétate. En donnant de l’acétate à des bactéries E. coli de synthèse, ces dernières pouvaient produire des produits chimiques comme le butanol, un carburant liquide. Le processus a été décrit dans la revue Nanoletters paper.

« Le butanol est en quelque sorte une nouvelle sorte d’essence », explique Yang. On peut l’utiliser dans un véhicule standard sans modifier le moteur et les émanations atmosphériques de dioxyde de carbone sont moindres qu’avec la combustion d’essence régulière. Toutefois, le butanol est coûteux et difficile à produire à l’heure actuelle. Il s’agit du premier système à produire du butanol à partir de l’énergie solaire.

Plus récemment, Yang était auteur-ressource pour un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences sur un nouveau système de photosynthèse artificiel qui produit du méthane. La lumière solaire et des nanoparticules de sulfure de nickel scindent l’hydrogène de l’eau (H2O). Ensuite, un microorganisme appelé Methanosarcina barkeri absorbe l’hydrogène et le dioxyde de carbone pour produire du méthane (CH4). Le méthane renouvelable est un produit utile, mais Yang espère améliorer cette approche pour obtenir des produits chimiques encore plus complexes.

Selon lui, l’un des plus grands défis sera de remplacer les microorganismes par des solutions de rechange synthétiques plus conviviales. « Les bactéries produisent ces produits chimiques avec une très grande efficacité », dit Yang. « Le véritable défi maintenant est de découvrir comment les imiter. »

Il affirme que pour surmonter ce défi, il faudra faire appel à des experts de nombreux domaines, notamment : des biologistes pour comprendre comment fonctionne la nature, des spécialistes des matériaux qui pourront utiliser des nanomatériaux pour exploiter la lumière solaire et des chimistes pour fabriquer des catalyseurs synthétiques aptes à faire le travail des microorganismes. « La clé réside dans l’interdisciplinarité qui est la pierre angulaire de l’ICRA », ajoute Yang.

Ces recherches n’en sont qu’à leurs balbutiements, mais il croit que dans l’avenir l’énergie solaire pourrait jouer un rôle encore plus grand.

« Je crois vraiment qu’il est possible de fabriquer ce méthane ou ce carburant liquide à partir de CO2 dans l’environnement avec l’énergie solaire et d’utiliser ensuite ce carburant synthétique pour faire rouler nos voitures. »

Ces recherches ont été financées en partie par le bureau des sciences du ministère de l’Énergie des États-Unis, la National Science Foundation et les National Institutes of Health.