L’évaporation reste une force fondamentale de la nature

Une immense force invisible fait remonter l’eau de la terre vers le ciel et enneige les sommets de l’Himalaya. Malgré la puissance que représente l’évaporation de l’eau, son potentiel pour propulser des appareils autonomes ou produire de l’électricité reste encore largement méconnu – jusqu’à maintenant.

Des scientifiques de l’Université de Columbia ont en effet développé deux dispositifs qui tirent leur électricité directement de l’évaporation : un moteur entraîné par des volets flottants qui génère de l’électricité tout en faisant clignoter une lumière, et un moteur rotatif qui entraîne les roues d’une voiture miniature.

"Lorsque le processus d’évaporation sera capté à plus grande échelle, nous serons alors en mesure de produire de l’électricité à partir de générateurs électriques géants placés au dessus de réservoirs, ou bien, à partir d’énormes machines tournantes – semblables aux éoliennes positionnées dans l’eau," a déclaré Ozgur Sahin, Professeur agrégé de sciences biologiques et de physique à l’Université de Columbia et auteur principal du rapport.

"L’évaporation reste une force fondamentale de la nature", a t-il déclaré. "Elle est partout, et demeure même plus puissante que d’autres forces connues, comme le vent et les vagues."

L’année dernière, le Pr. Sahin a constaté que lorsque des spores bactériens rétrécissaient et gonflaient avec le taux d’humidité, ils étaient alors capables de pousser et de tirer des objets avec une certaine force. "Les spores emportent plus d’énergie, à masse équivalente, que d’autres matériaux utilisés dans l’ingénierie pour les objets en mouvement", a t-il rapporté dans un article publié dans Nature Nanotechnology.

Pour construire un moteur à piston flottant, les chercheurs ont d’abord fixé des spores des deux côtés d’un mince ruban adhésif – double face – en plastique semblable à celui que l’on retrouve dans les vieilles cassettes VHS, créant ainsi une ligne de spores en pointillé. Ils ont fait de même sur le côté opposé de la bande, mais en décalant la ligne afin que les tirets positionnés sur un côté se chevauchent avec l’autre.

Lorsque l’air sec rétrécit les spores, les rubans se courbent. Ce phénomène fait onduler la membrane à l’origine rectiligne, la raccourcissant d’autant. Si une ou deux extrémités de la bande sont attachées, le dispositif tracte l’ensemble. Inversement, lorsque l’air est humide, la membrane s’agrandit, libérant la force emmagasinée. Le résultat constitue un nouveau type de "muscle artificiel" qui est contrôlable en changeant le taux d’humidité.

Le Pr. Sahin et Xi Chen, un stagiaire postdoctoral, ont placé des dizaines de ces bandes côte à côte créant un "muscle artificiel" robuste qu’ils ont ensuite placé à l’intérieur d’un boîtier en plastique surmonté de volets. A l’intérieur du boîtier, l’évaporation de l’eau a rendu l’air humide. le "muscle" a obtenu une forme allongée grâce à l’humidité, tandis que l’ouverture des volets a permis à l’air de  le sécher. Lorsque l’humidité s’en va, les spores et les membranes se contractent, fermant les volets et permettant à l’humidité de réapparaitre de nouveau. Un cycle autonome de mouvement est né.

"Lorsque nous avons mis de l’eau sous le dispositif, il s’est soudainement animé, se déplaçant de lui même", a déclaré Xi Chen.

Les spores des "muscles artificiels" fonctionnent comme un piston entraîné par évaporation. Coupler le piston à un générateur produit suffisamment d’électricité pour provoquer une petite lumière qui clignote. "Nous avons transformé l’évaporation de l’eau d’un réservoir en lumière", a ajouté le Pr. Sahin.

"Avec sa puissance de sortie actuelle, le moteur à évaporation pourrait alimenter de petites LEDs ou des capteurs gisants au fond du plancher océanique qui surveilleraient l’environnement", a précisé Xi Chen, spéculant qu’une version améliorée avec du ruban plastique et davantage de spores pourraient potentiellement générer encore plus de puissance par unité de surface qu’un parc éolien.

L’autre moteur conçu par léquipe de Columbia – "Le Moulin humide", et aussi entraîné par évaporation, intégre une roue en plastique avec des membranes enrubannées recouvertes d’un côté avec des spores. La moitié de la roue se trouve à l’air libre et sec, forçant les membranes à se courber, tandis que l’autre moitié se confronte à un environnement humide, où les membranes se redressent. En conséquence, la roue tourne de façon continue, agissant en fait comme un moteur rotatif.

Les chercheurs ont ensuite fabriqué une petite voiture jouet reliée au "Moulin humide". Ils ont réussi à faire que la voiture se déplace toute seule, alimentée uniquement par l’effet d’évaporation. "Dans l’avenir", espère le Pr. Sahin, "il peut être envisageable de concevoir des moteurs qui utilisent l’énergie mécanique stockée dans les spores pour propulser un véhicule classique. Un tel moteur, s’il est réalisé, nécessiterait ni combustible à brûler, ni aucune batterie électrique."

Par ailleurs, une version à l’échelle d’une centrale à évaporation pourrait également produire de l’électricité. Le Pr. Sahin suggère ainsi une roue qui surplomberait une grande étendue d’eau, le processus d’évaporation entraînerait la roue qui produirait de l’électricité. "Ce dispositif générerait autant d’électricité qu’une éolienne" a t-il conclu.