Générateur d’électricité miniaturisé à base de boîtes quantiques

Mickael L. Perrin veut construire de minuscules centrales électriques à partir de nanorubans de graphène qui produisent de l’électricité à partir de la chaleur. Son ambitieux projet lui a valu l’une des prestigieuses « ERC Starting Grants » de l’UE et l’une des 32 bourses professorales Eccellenza du Fonds national suisse de la recherche scientifique FNS. Il occupera un poste de professeur assistant à l’ETH Zurich – et poursuivra sa recherche à l’Empa.

Les machines et les appareils électroniques génèrent souvent une chaleur résiduelle difficile à utiliser. Si l’on pouvait produire de l’électricité à partir de cette chaleur résiduelle, cela offrirait une approche propre et durable pour la production d’énergie : La technologie mise au point conviendrait parfaitement aux applications électroniques à faible puissance, comme les technologies portables ou les dispositifs de l’internet des objets à faible coût. Il s’agit, par exemple, d’appareils (médicaux) et de capteurs portables, avec un large éventail d’applications dans l’industrie de la santé et du sport, les bâtiments intelligents et la mobilité.

Les générateurs thermoélectriques, des machines qui génèrent de l’électricité à partir de différences de température, existent déjà, mais l’efficacité de cette conversion est généralement faible et ils ne produisent que peu d’électricité. Augmenter la production d’électricité nécessite des matériaux qui possèdent en même temps une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Mais ces exigences s’excluent généralement l’une l’autre.

Les boîtes quantiques comme solution

Au cours des dernières années, plusieurs groupes de recherche dans le monde ont démontré que la conversion thermoélectrique peut être considérablement améliorée en exploitant des effets quantiques. Par exemple, en utilisant des boîtes quantiques qui agissent comme des filtres énergétiques très sélectifs, d’importantes augmentations de l’efficacité de conversion ont été observées. Dans certains cas, l’efficacité se rapprochent même de certaines des limites imposées par les lois de la thermodynamique. Le problème : ces machines quantiques, également appelées moteurs thermiques quantiques, doivent être refroidies à une température de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui les rend inutilisables dans la vie quotidienne.

Mais les chercheurs de l’Empa vont peut-être pouvoir surmonter ce problème et créer un moteur thermique quantique qui fonctionne à température ambiante. C’est Mickael Perrin, chercheur dans le laboratoire « Transport at Nanoscale Interfaces » dirigé par Michel Calame, qui a eu l’idée d’utiliser les nanorubans de graphène une spécialité de l’Empa, dans ce but,. Les tout premiers nanorubans de graphène ont été synthétisés par un autre groupe de recherche de l’Empa : Roman Fasel et ses collègues du laboratoire Nanotech@Surfaces. Depuis plusieurs années, Mickael Perrin et d’autres membres du groupe travaillent sur différentes approches pour créer des dispositifs électroniques à partir de ces nanorubans.

Moteurs thermiques quantiques

Mickael Perrin a déjà réussi à faire en sorte que des nanorubans de graphène se comportent comme des boîtes quantiques, certaines d’entre elles étant stables jusqu’à une température de – 123 degrés Celsius, c’est-à-dire à des températures bien plus élevées que les boîtes quantiques utilisés auparavant pour la conversion thermoélectrique. L’objectif est maintenant d’intégrer ces nanorubans de graphène dans un moteur thermique quantique et de le faire fonctionner à température ambiante. Les nanorubans ne mesurant que quelques nanomètres, l’établissement d’un contact électrique avec eux nécessitera le développement de techniques et de protocoles de fabrication spéciaux, qui seront mis en œuvre en particulier au Binnig and Rohrer Nanotechnology Center à Rüschlikon. En outre, des systèmes de mesure conçus sur mesure seront nécessaires pour caractériser l’efficacité de la conversion d’énergie.

Si tout se passe bien, M. Perrin pourrait créer un minuscule moteur thermique sur une puce électronique dans les prochaines années. Non seulement ce moteur pourrait générer de l’électricité à partir de la chaleur perdue, mais à l’inverse, en inversant le principe de fonctionnement, il serait également possible de l’utiliser pour refroidir de manière efficace.

Grâce à ses deux bourses de recherche, Mickael L. Perrin occupera d’ici quelques mois un poste de professeur assistant à l’ETH Zurich, au Département de technologie de l’information et de génie électrique. Au cours des prochaines années, il poursuivra ses travaux de recherche dans les laboratoires de l’Empa, où des équipements de pointe sont disponibles pour la caractérisation thermoélectrique des moteurs thermiques quantiques.

Financement de la recherche

Le projet de M. Perrin est financé par le Fonds national suisse de la recherche scientifique et le Secrétariat d’État à la formation, à la recherche et à l’innovation (SEFRI). En raison de l’échec de l’accord-cadre entre la Suisse et l’Union européenne, la Suisse est actuellement exclue du programme de recherche européen « Horizon Europe ». Exceptionnellement cette année, les bénéficiaires des subventions « ERC Starting Grant » seront financés directement par le SEFRI. C’est le seul moyen de garder en Suisse ces jeunes chercheurs talentueux. Afin de recevoir les fonds européens alloués, Mickael Perrin et les 27 autres boursiers suisses devraient s’installer dans une université étrangère faisant partie de l’Espace européen de la recherche.

Auteur : Rainer Klose

Image: Empa