Air-gen, la révolution du futur pour les énergies propres

Générer électricité propre de l’air: cette découverte, publiée le Matériaux avancés par un groupe de chercheurs de l’Université du Massachusetts Amherst, utilise des nanofilaments à base d’une protéine synthétisée par une bactérie pour obtenir de l’énergie à partir de l’humidité naturellement présente dans l’air. Ce système d’obtention d’électricité promet un bond en avant dans le domaine de l’extraction d’énergie de sources renouvelable et durable. Pour l’instant, le système est capable de fournir de l’électricité à de petits appareils, mais si la technologie est développée, elle pourrait trouver des applications dans appareils portables ou dans certains Équipement médical comme les stimulateurs cardiaques. Pour une utilisation à grande échelle, une production importante de nanofilaments sera nécessaire : pour cela nous travaillons avec des bactéries extrêmement courantes telles que Escherichia coli.

Comment fonctionne le système Air-gen pour produire de l’électricité à partir de l’air

Dans ce système, l’électricité est générée grâce à un phénomène physique particulier qui est déclenché parhumidité présents dans l’air lui-même. Le mécanisme est simple : les molécules d’eau présentes dans l’air entrent en contact et traversent un film mince, composé de filaments d’une protéine synthétisée par la bactérie. Geobacter sufurreducensgénèrent une (petite) différence de potentiel, c’est-à-dire une tension électrique qui peut être converti en électricité.

Le phénomène avait déjà été découvert dans la même université américaine en 2020. De nouvelles recherches ont montré que l’effet physique se produit également avec des matériaux autres que le biofilm produit par Geobacter sufurreducensmais aussi avec d’autres matériaux aux propriétés similaires :

Une large gamme de matériaux inorganiques, organiques et biologiques, conçus de manière appropriée avec des nanopores, sont capables de produire de l’électricité en continu à partir de l’air.

Les chercheurs ont donc voulu définir ce dispositif comme un «générateur d’air« , abrégé en terme « génération d’air». Ce terme nouvellement inventé donne également le nom à l’effet physique correspondant : effet de génération d’airou effet de génération d’air.

La structure du matériau sous-jacent à l’Air-gen

Alors, quelles propriétés un matériau doit-il avoir pour que l’effet de génération d’air se produise ?

Premièrement, il doit se présenter sous la forme d’un couche mince de quelques millièmes de millimètre (plus ou moins l’épaisseur d’une feuille de papier) et doit avoir une structure nanoporeux avec des trous d’un diamètre de 100 nanomètres (millionièmes de millimètre), soit 700 à 800 fois plus petit que le diamètre d’un cheveu humain. Cette taille correspond à signifie libre parcours d’une molécule d’eau sous forme gazeuse, c’est-à-dire la distance que parcourt en moyenne une seule molécule d’eau en suspension dans l’air avant de heurter une autre molécule d’eau.

Cependant, comme ces canaux ont un très petit diamètre, les molécules d’eau ont du mal à traverser les pores du matériau et continuent d’entrer en collision avec les parois des pores eux-mêmes. Cela signifie que la surface supérieure de la couche de film, en contact direct avec l’air humide, est « bombardée » par beaucoup plus de molécules d’eau que sa surface inférieure.

De cette façon, vous en créez un déséquilibre de densité des molécules d’eau entre et deux surfaces. Ces molécules, à cause des collisions, oui ils se chargent électriquement créant à son tour un déséquilibre de charge électrique. En appliquant deux électrodes sur les surfaces du matériau, il est possible d’apprécier une petite valeur de tension à leurs extrémités.

La durée de l’effet dans le temps

D’autres études réalisées ont mis en évidence comment l’effet de la génération d’air peut persister indéfiniment dans le temps sans « s’user », tant que le matériau nanoporeux reste immergé dans l’humidité de l’air. Ce phénomène est déterminé par une condition de équilibre physique par rapport au milieu dans lequel il est immergé, il ne se manifeste donc pas à travers réactions chimiques ce qui provoquerait au contraire la décomposition du matériau en d’autres composés, épuisant ainsi son effet (cas typique des batteries).

Puisqu’un degré minimal d’humidité est toujours présent dans l’air, l’appareil serait donc théoriquement capable de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, beau temps, mauvais temps, la nuit, avec ou sans vent, surmontant ainsi l’un des principaux problèmes des sources renouvelables : lecaractère aléatoire de la source d’énergie.

Les limites de la technologie Air-gen

Comme pour toute chose, il y a des forces et des faiblesses, essayons donc d’analyser les limites potentielles de cette technologie :

• Les effets sont étudié récemmentpar conséquent, bien que les résultats soient prometteurs, il n’est pas encore possible d’étendre et d’évaluer le comportement de ce phénomène à long terme, même en présence d’une humidité continue de l’air (par exemple, la dégradation du matériau provoquée par des phénomènes pas encore connu pour être lié au vieillissement) ;
• Ce phénomène était étudié sur de petits échantillons de matériaules films ont des surfaces de l’ordre de centimètre carré. Il est donc nécessaire de comprendre et d’étudier évolutivité de cet effet, c’est-à-dire comprendre si, en augmentant la taille de l’échantillon, l’effet augmente également. Sur ce point, un minimum d’études semblent avoir déjà été menées avec des résultats prometteurs.
• Impact sur production à grande échelle de biofilms organiques produite par des bactéries. Pour produire des films organiques, il faut des cultures bactériennes qui doivent être maintenues en vie et nourries dans des environnements de culture adaptés (bioréacteurs) ce qui peut avoir des coûts de gestion importants. Par conséquent, le choix du meilleur matériau capable d’optimiser les coûts et les bénéfices doit être soigneusement évalué ; très probablement, le choix du matériau optimal ne sera pas unique mais dépendra de l’application requise.
• Enfin, d’un point de vue purement électrique nous avons vu comment les échantillons analysés produisent des tensions (vide) de l’ordre de millivolts (mV)e courants de l’ordre de des centaines de nanoampères (n / A). La densité de puissance mise en jeu est donc microscopique : on parle de microwatts par centimètre carré (µW/cm²) de matière. Dans ces conditions, les applications de cette technologie seraient vraiment minimes. Pour comprendre si et comment cette technologie sera véritablement décisive et efficace dans la production d’électricité, des études plus approfondies sur son évolutivité (abordées au point deux) devront nécessairement être menées.

Seul le temps nous dira, avec la poursuite des études et des recherches, si cette découverte peut réellement ouvrir les portes de l’exploration de la production d’électricité durable produite à partir de l’air. Pour l’instant, seules des hypothèses peuvent être émises sur les applications possibles que pourrait avoir cette technologie : de l’alimentation électrique continue de petits appareils tels que des capteurs et des dispositifs IoT pour la surveillance et la mesure de grandeurs physiques dans des zones reculées de la planète, jusqu’à la comparaison l’air-gen comme un digne concurrent des cellules photovoltaïques dans la production d’électricité.