Un micro-émetteur avec assez d’énergie pour suivre les saumons

La batterie, un cylindre à peine plus grand qu’un grain de riz, n’est certainement pas la plus petite du genre au monde puisque des ingénieurs ont créé des dispositifs beaucoup plus fins que la largeur d’un cheveu humain. Toutefois ces petites batteries ne génèrent pas suffisamment d’énergie pour alimenter des balises acoustiques.

Cette nouvelle batterie est suffisamment petite pour être introduite dans un organisme et détient beaucoup plus d’énergie que les batteries de taille similaire.

Pour les scientifiques chargés de suivre la migration du saumon, une batterie plus légère se traduit automatiquement par un émetteur plus petit qui pourra être inséré dans l’organisme des plus jeunes poissons, et donc des plus petits. Cela va permettre aux scientifiques de suivre leur évolution plus tôt dans le cycle de vie, souvent dans les petits cours d’eau qui sont essentiels à leur début. La nouvelle batterie peut également alimenter des signaux sur de longues distances, ce qui permet aux chercheurs de suivre les poissons loin des côtes ou des barrages, ou plus profondément dans l’eau.

"L’invention de cette batterie révolutionne essentiellement le monde de la biotélémétrie et ouvre l’étude des différentes étapes de la vie du saumon d’une manière inédite, impossible auparavant", a déclaré M. Brad Eppard, biologiste et responsable du programme de recherche sur la pêche dans la région de Portland accueillant le corps des ingénieurs de l’US Army. "Pendant des années, le facteur limitant pour la création d’un petit émetteur a été la taille de la batterie. Cet obstacle a été surmonté", a t-il ajouté.

L’armée et d’autres agences utilisent des informations issues des balises pour tracer la mobilité des poissons en voie de disparition et pour aider à déterminer la façon optimale d’exploiter les barrages. Il y a trois ans, l’armée a chargé Z. Daniel Deng, un ingénieur PNNL (Pacific Northwest National Laboratory), pour créer un petit émetteur, un assez petit pour être injecté, au lieu de implanté chirurgicalement, en poissons. L’injection est beaucoup moins invasive et stressant pour les poissons, et c’est un processus plus rapide et moins coûteuse.

"Cela a été un défi majeur qui nous a vraiment occupé ces trois dernières années", a précisé D. Deng. "Il n’y a rien de tel dans le commerce, qui peut être injecté. Soit les batteries sont trop volumineuses, soit elles ne durent pas assez longtemps pour être utile. C’est pourquoi nous avons dû concevoir notre propre."

Pour stocker davantage d’énergie dans un petit volume, l’équipe de professeur Xiao a amélioré la technique du "gâteau roulé" couramment utilisé pour fabriquer des batteries cylindriques plus grandes. Ce procédé utilise et dispose des couches de matériaux les unes au dessus des autres dans un processus connu sous le nom de laminage similaire à la façon dont un gâteau roulé est créé. Les couches de séparation comprennent une cathode en fluorure de carbone et une anode en lithium.

Cette technique a permis d’augmenter la surface des électrodes, sans pour autant augmenter l’épaisseur ou la taille globale de la batterie.

Avec l’augmentation de la superficie on aborde l’un des principaux problèmes quand il faut concevoir une si petit batterie tout en maintenant l’impédance (résistance électrique). Une haute impédance se produit lorsque beaucoup d’électrons sont concentrés dans un seul et même endroit exigu. Ils ne s’écoulent pas facilement ou rapidement le long des chemins nécessaires dans une batterie, se gênant mutuellement les uns, les autres. Plus la batterie est petite et plus le problème est grand.

Le procédé du ‘gâteau roulé’ permet de créer une surface plus grande pour à la fois faire intéragir les électrons tout en réduisant l’impédance tant que la capacité du matériau reste environ le double de celle des microbatteries traditionnellement utilisées dans les balises acoustiques.

Avec seulement un poids de 70 milligrammes, la nouvelle batterie pèse un peu plus de la moitié de celui des batteries actuellement utilisées, soit environ 135 milligrammes. Les dimensions sont de 6 millimètres de long par 3 millimètres de large. La batterie a une densité d’énergie d’environ 240 wattheures par kilogramme, contre environ 100 pour les microbatteries (bouton) à oxyde d’argent.

La microbatterie contient assez d’énergie pour envoyer un signal acoustique suffisamment fort pour suivre les poissons, même dans des environnements bruyants, près des grands barrages. Elle est capable d’alimenter un signal de 744 microsecondes envoyé toutes les trois secondes pendant environ trois semaines, soit un laps de temps de 5 secondes pendant un mois. A la connaissance des chercheurs, il s’agirait de la plus petite batterie à ce jour dotée de capacités énergétiques suffisantes pour maintenir ce niveau de signalisation.

Enfin, ces micro-batteries fonctionnent également mieux dans l’eau froide où les saumons vivent le plus souvent, envoyant des signaux clairs à basse température. Ce constat est du en grande partie grâce à leurs éléments actifs que sont le lithium et le fluorure de carbone, une association prometteuse pour d’autres applications.