La photosynthèse artificielle promet une source d’énergie propre et durable

Les humains peuvent faire beaucoup de choses que les plantes ne peuvent pas faire. Nous pouvons nous déplacer, parler, entendre, voir et toucher. Mais les plantes ont un avantage majeur sur les humains : Elles peuvent produire de l’énergie directement à partir du soleil.

Ce processus de transformation de la lumière du soleil en énergie utilisable – appelé photosynthèse – pourrait bientôt être une prouesse que l’homme pourra imiter pour exploiter l’énergie du soleil et obtenir un carburant propre, stockable et efficace. Si c’est le cas, cela pourrait ouvrir une toute nouvelle frontière à l’énergie propre. En une heure, la Terre reçoit suffisamment d’énergie sous forme de rayons solaires pour répondre à tous les besoins énergétiques de la civilisation humaine pendant une année entière.

Yulia Puskhar, biophysicienne et professeur de physique au College of Science de Purdue, pourrait trouver un moyen d’exploiter cette énergie en imitant les plantes.

L’énergie éolienne et l’énergie solaire, exploitée par des cellules photovoltaïques, sont les deux principales formes d’énergie propre disponibles. En ajouter une troisième – la photosynthèse synthétique – changerait radicalement le paysage des énergies renouvelables. La possibilité de stocker facilement l’énergie, sans avoir recours à des batteries encombrantes, améliorerait considérablement la capacité de l’homme à alimenter la société de manière propre et efficace.

Les éoliennes et les systèmes photovoltaïques présentent tous deux des inconvénients en termes d’effets sur l’environnement et de facteurs de complication. M. Pushkar espère que la photosynthèse artificielle pourrait permettre de contourner ces écueils.

“Nous, ainsi que d’autres chercheurs dans le monde, travaillons d’arrache-pied pour essayer de trouver une énergie accessible“, a déclaré M. Pushkar. “Une énergie propre et durable que nous pouvons créer avec des éléments non toxiques et facilement disponibles. Notre photosynthèse artificielle est la voie à suivre.“

La photosynthèse est une danse complexe de processus par lesquels les plantes convertissent le rayonnement du soleil et les molécules d’eau en énergie utilisable sous forme de glucose. Pour ce faire, elles utilisent un pigment, généralement la fameuse chlorophylle, ainsi que des protéines, des enzymes et des métaux.

Le processus le plus proche de la photosynthèse artificielle dont dispose l’homme aujourd’hui est la technologie photovoltaïque, où une cellule solaire convertit l’énergie du soleil en électricité. Ce procédé est célèbre pour son inefficacité, puisqu’il ne peut capter qu’environ 20 % de l’énergie solaire. La photosynthèse, en revanche, est radicalement plus efficace ; elle est capable de stocker 60 % de l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique dans les biomolécules associées.

L’efficacité des cellules photovoltaïques simples – les panneaux solaires – est limitée par la capacité des semi-conducteurs à absorber l’énergie lumineuse et par la capacité de la cellule à produire de l’énergie. Cette limite, les scientifiques pourraient la dépasser grâce à la photosynthèse synthétique.

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“Avec la photosynthèse artificielle, il n’y a pas de limites physiques fondamentales“, a déclaré M. Pushkar. “On peut très facilement imaginer un système efficace à 60 %, car nous avons déjà un précédent dans la photosynthèse naturelle. Et si nous sommes très ambitieux, nous pouvons même envisager un système dont l’efficacité peut atteindre 80 %.“

“La photosynthèse est massivement efficace lorsqu’il s’agit de diviser l’eau, une première étape de la photosynthèse artificielle. Les protéines du photosystème II des plantes le font des milliers de fois par seconde. Il suffit de cligner des yeux pour que ce soit fait.“

Le groupe de Mme Pushkar imite le processus en construisant son propre analogue de feuille artificielle qui capte la lumière et sépare les molécules d’eau pour générer de l’hydrogène. L’hydrogène peut être utilisé comme un combustible en soi via des piles à combustible ou être ajouté à d’autres combustibles comme le gaz naturel, ou encore être intégré à des piles à combustible pour alimenter tout ce qui existe, des véhicules aux maisons en passant par les petits appareils électroniques, les laboratoires et les hôpitaux. Sa découverte la plus récente, un aperçu de la façon dont les molécules d’eau se divisent pendant la photosynthèse, a été récemment publiée dans la revue Chem Catalysis : Cell Press.

Les scientifiques du laboratoire de Mme Pushkar expérimentent des combinaisons de protéines naturelles du photosystème II et de catalyseurs synthétiques pour tenter de comprendre ce qui fonctionne le mieux – et pourquoi. Elle accorde également la priorité à l’utilisation de composés et de produits chimiques qui sont abondants sur Terre, facilement accessibles et non toxiques pour la planète.

Les progrès en matière de photosynthèse artificielle sont toutefois compliqués par le fait que la photosynthèse présente de multiples facettes, ce que déplorent les étudiants en biochimie du monde entier.

“La réaction est très complexe“, a déclaré M. Pushkar. “La chimie de la séparation des molécules d’eau est extrêmement complexe et difficile.“

Les scientifiques travaillent sur la photosynthèse artificielle depuis les années 1970. C’est long, mais pas quand on se rappelle que la photosynthèse a mis des millions d’années à évoluer. De plus, les scientifiques pensent que, contrairement au vol, à la communication ou à l’intelligence, la photosynthèse n’a évolué qu’une seule fois, il y a environ 3 milliards d’années, soit environ 1,5 milliard d’années d’existence de la Terre.

M. Pushkar estime que d’ici 10 à 15 ans, les progrès réalisés seront suffisants pour que des systèmes commerciaux de photosynthèse artificielle puissent commencer à être mis en ligne.

Ses recherches sont financées par la National Science Foundation.

[ Communiqué ]
Lien principal : purdue.edu