Humidité de l’air : clé de la prochaine révolution énergétique ?

Dans une avancée qui pourrait transformer notre façon de produire de l’électricité, une équipe d’ingénieurs a récemment révélé une méthode pour transformer presque n’importe quel matériau en un dispositif capable de récupérer en continu de l’électricité à partir de l’humidité atmosphérique.

Leur secret ? L’ajout de nanopores de moins de 100 nanomètres* de diamètre au matériau en question, comme indiqué dans le journal « Advanced Materials« .

« C’est très excitant », a déclaré Xiaomeng Liu, étudiant en doctorat en génie électrique et informatique à l’UMass Amherst et principal auteur de l’article. « Nous ouvrons une large porte à la récupération d’électricité propre à partir de l’air ambiant. »

L’assistant professeur Jun Yao, également de l’UMass Amherst, affirme : «L’air contient une énorme quantité d’électricité. Pensez à un nuage, qui n’est rien d’autre qu’une masse de gouttelettes d’eau. Chacune de ces gouttelettes contient une charge, et quand les conditions sont réunies, le nuage peut produire un éclair – mais nous ne savons pas comment capturer de manière fiable l’électricité de la foudre. Ce que nous avons fait, c’est de créer un nuage à petite échelle, produit par l’homme, qui produit de l’électricité de manière prévisible et continue afin que nous puissions la récolter.»

Au cœur de ce nuage artificiel se trouve ce que Yao et ses collègues appellent «l’effet Air-gen générique». Cette découverte repose sur leurs travaux précédents en 2020, démontrant qu’il était possible de récolter continuellement de l’électricité à partir de l’air en utilisant un matériau spécialisé composé de nanofils protéiques cultivés à partir de la bactérie Geobacter sulfurreducens.

Yao explique un peu plus en détail : « Ce que nous avons réalisé après la découverte du Geobacter, c’est que la capacité de générer de l’électricité à partir de l’air – ce que nous appelions alors ‘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, à condition qu’il possède une certaine propriété .»

La propriété en question ? « Il faut qu’il ait des trous plus petits que 100 nanomètres (nm), soit moins d’un millième de la largeur d’un cheveu humain. »

Cette réalisation découle de la compréhension de la « libre trajectoire moyenne« , la distance qu’un unique molécule d’eau en suspension dans l’air parcourt avant de rencontrer une autre molécule d’eau. Cette distance est d’environ 100 nm.

Yao et son équipe ont élaboré un capteur d’électricité basé sur ce paramètre. Ce capteur serait constitué d’une mince couche de matériau rempli de nanopores de moins de 100 nm qui permettraient aux molécules d’eau de passer de la partie supérieure à la partie inférieure du matériau.

En raison de la petite taille des pores, les molécules d’eau se heurteraient facilement à l’orifice en traversant cette fine couche, créant un déséquilibre de charge, semblable à celui d’un nuage.

«L’idée est simple», déclare Yao, «mais elle n’a jamais été découverte auparavant, et elle ouvre toutes sortes de possibilités.» Il imagine des capteurs conçus à partir de toutes sortes de matériaux, offrant un large choix de fabrications respectueuses de l’environnement et économiquement avantageuses. «Vous pourriez imaginer des capteurs faits d’un type de matériau pour les environnements de forêt tropicale, et d’un autre pour les régions plus arides.»

Puisque l’humidité est omniprésente, le capteur fonctionnerait 24h/24 et 7j/7, résolvant l’un des principaux problèmes des technologies comme le vent ou le solaire, qui ne fonctionnent que sous certaines conditions. De plus, étant donné que l’humidité de l’air se diffuse dans un espace tridimensionnel et que l’épaisseur du dispositif Air-gen n’est qu’une fraction de la largeur d’un cheveu humain, des milliers d’entre eux pourraient être empilés les uns sur les autres, augmentant ainsi efficacement la quantité d’énergie produite sans augmenter l’empreinte du dispositif.

«Imaginez un monde futur où l’électricité propre serait disponible partout où vous allez», s’exclame Yao. «L’effet générique Air-gen signifie que ce monde futur peut devenir une réalité.»

* Pour donner une idée de la taille d’un nanomètre, un cheveu humain moyen mesure environ 100 000 nanomètres d’épaisseur.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, le groupe Sony, la Link Foundation et l’Institut pour les Sciences de la Vie Appliquées (IALS) de l’UMass Amherst