RESEAU SOL(ID)AIRE DES ENERGIES !
"CURIOSITES ENERGETIQUES"
PHOTOSYNTHESE
2012
* Rensselaer Scientists Unlock Some Key Secrets of Photosynthesis (news.rpi.edu, actualité)
* Photosynthèse artificielle: un nouveau catalyseur qui change la donne (ADIT, actualité)
* Des végétaux pour produire de l'électricité (ADIT, actualité)
2011
* Les feuilles peuvent produire de l'électricité!
2010
La photosynthèse comme source d'énergie, qu'elle soit naturelle ou artificielle
(ADIT)
     L'?nergie solaire est la source d'?nergie primordiale sur Terre. Sa transformation fournit l'?nergie chimique assurant le d?veloppement de la tr?s grande majorit? des ?tres vivants. Les ?nergies fossiles - p?trole, gaz, charbon - n'en sont ainsi que des produits d?riv?s. La r?cup?ration, la transformation et le stockage de l'?nergie solaire de mani?re efficace pr?sente un d?fi de taille mais serait la r?ponse id?ale aux besoins ?nerg?tiques actuels. Les syst?mes photovolta?ques permettent de r?cup?rer cette ?nergie et de la transformer en ?lectricit?. Mais cette derni?re forme d'?nergie pr?sente le l'inconv?nient d'?tre difficile ? stocker.
     Les processus chimiques naturels ont depuis longtemps ma?tris? l'?nergie solaire au travers du processus de photosynth?se. L'id?al serait de r?cup?rer directement l'?nergie produite par photosynth?se ? l'int?rieur des v?g?taux. Ou alors, il faudrait pouvoir copier ce processus que des milliards d'ann?es d'?volution ont perfectionn? afin de pouvoir convertir l'?nergie solaire en ?nergie chimique, sous forme d'hydrog?ne, plus simple ? stocker que l'?lectricit?.

R?cup?rer l'?nergie ? la source
     Dans le processus de photosynth?se, l'?nergie solaire est utilis?e pour d?composer l'eau et produit des mol?cules de dioxyg?ne, des protons et des ?lectrons. Pour produire un courant ?lectrique, il s'agit alors de r?cup?rer les ?lectrons produits par la r?action. C'est ce qu'une ?quipe de Stanford University a r?ussi ? faire ? l'aide de nano-?lectrodes d'or [1]. Une nano-?lectrode est piqu?e ? l'int?rieur d'une cellule d'algue. L'exercice consiste, d'une part, ? cr?er une ?lectrode assez petite pour ?tre introduite dans une cellule et, d'autre part, ? perforer la cellule et ? maintenir l'?lectrode en place sans entrainer la mort de l'algue. Une fois en place, cette ?lectrode a permis de capter directement les ?lectrons produits au sein des usines ?nerg?tiques des cellules v?g?tales que sont les chloroplastes.
     Cependant l'exercice ne s'est d?roul? que sur une cellule unique et le courant obtenu est extr?mement faible : un picoamp?re. Pour ?tre efficace, il faudrait pouvoir am?liorer la r?cup?ration des ?lectrons au sein des cellules et multiplier le nombre de cellules asservies par environ mille milliards. Sans oublier qu'il se pourrait que ce "vol d'?nergie" soit aussi ? l'origine de la mort pr?matur?e des cellules. Les auteurs sont pourtant confiants. Ils estiment que cette m?thode permettrait de produire potentiellement plus d'?nergie ? partir des plantes que via la combustion. Si ces r?sultats mettent en ?vidence la possibilit? de r?cup?rer l'?nergie directement ? la source, d'autres chercheurs se proposent de mimer les structures naturelles afin de reproduire le processus de photosynth?se.

Reproduire artificiellement les structures
     L'?volution a produit des structures qui rendent le processus de photosynth?se tr?s efficace : pourquoi ne pas les copier? Dans une feuille, les diff?rentes structures ont pour but de guider l'?nergie solaire vers les chloroplastes o? elle sera transform?e, en assurant un excellent rendement. Le d?veloppement des nanotechnologies permet aujourd'hui d'avoir une approche bottom-up de la construction de ces structures, c'est-?-dire de jouer aux l?gos avec la mati?re et de construire, morceau par morceau, la structure. Les m?thodes d'imagerie et de caract?risation permettent d'obtenir les plans. L'avantage que poss?de le chercheur est qu'il peut choisir les mat?riaux qu'il utilise alors que les mat?riaux biologiques existent en vari?t? limit?e.
     Dans une premi?re tentative de production d'une feuille artificielle inorganique, des chercheurs chinois ont inject? de l'oxyde de titane dans la feuille d'une plante, se servant de la feuille comme d'un moule. Ils ont ainsi obtenu une structure huit fois plus productive en hydrog?ne qu'avec la m?me quantit? de dioxyde de titane non mis en forme. En recouvrant la feuille de platine, ils ont multipli? la productivit? de la structure par 10. Ces r?sultats ont ?t? pr?sent?s en mars dernier au 239?me National Meeting de l'American Chemical Society qui se tenait ? San Francisco. Copier la structure enti?re peut sembler ?tre un bon moyen de copier le processus permettant de r?cup?rer l'hydrog?ne qui alimentera les piles ? combustibles. Cependant, il est aussi envisag? de reproduire uniquement le processus chimique de d?composition de la mol?cule d'eau.

 Copier les m?canismes chimiques
     Une ?quipe du Massachussetts Institute of Technology (MIT) a propos? une nouvelle m?thode pour r?aliser la dissociation de la mol?cule d'eau en utilisant l'?nergie solaire. Ils ont ainsi reproduit la r?action ayant lieu lors de la photosynth?se sans utiliser les m?mes mat?riaux que ceux utiliser dans la nature. Quoique. Ils se sont en effet servis d'un virus sur lequel sont capables de se fixer des mat?riaux catalytiques (l'oxyde d'iridium) et des pigments biologiques. Le tout est ensuite inclus dans une matrice de micro-gel cr?ant un enchev?trement permettant d'assurer le d?roulement de la r?action. Les pigments captent l'?nergie lumineuse, les catalyseurs assurent la r?alisation de la r?action. Le virus sert d'?chafaudage maintenant les composants de la structure et assure aussi les transferts d'?nergie tel un c?ble [2].
     Cependant, cette structure ne permet pour le moment que d'assurer la partie la moins int?ressante de la r?action : la production de dioxyg?ne via l'oxydation de la mol?cule d'eau. Il reste ? faire ?voluer la structure afin d'assurer la recombinaison du proton et de l'?lectron produits pour obtenir les atomes d'hydrog?ne. Un autre inconv?nient de la structure est li? au co?t de l'iridium. Pour envisager une application industrielle, il sera n?cessaire de trouver un autre catalyseur moins cher.

Un domaine en plein boom
     Si ces travaux de recherche paraissent quelque peu originaux, de nombreux groupes travaillent pourtant sur le sujet. Il y a un peu plus d'un mois, le programme Sun Catalytix [3] avait fait sensation notamment en promettant de fournir l'?quivalent en ?lectricit? de la consommation d'une maison (30kWh) gr?ce ? une bouteille d'eau. Depuis le projet est soutenu par l'ARPA-E ? hauteur de $4 millions [4]. La technologie utilis?e est bas?e sur un nouveau catalyseur d?couvert dans un laboratoire du MIT dirig? par Daniel Nocera. Ses recherches se concentrent sur l'emploi d'?l?ments abondants sur Terre pour g?n?rer de l'hydrog?ne et de l'oxyg?ne gr?ce ? de l'eau douce ou de l'eau de mer propre. Selon les propos utilis?s par l'ARPA-E cette technologie fournit une m?thode versatile, bon march?, efficace, ?volutive pour un stockage des ?nergies renouvelables. Le syst?me devrait co?ter le dixi?me du prix des syst?mes conventionnels. Les cellules photo-?lectrochimiques seraient ?galement capables de convertir la lumi?re du soleil et de l'eau en hydrog?ne pour de la production de carburants synth?tiques.
     De m?me, le projet Helios [5] est une initiative dont le but est de d?velopper les ?nergies issues du solaire au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en collaboration avec l'UC Berkeley. Le but premier de cet effort est le stockage d'?nergie issue du solaire. Les scientifiques se concentrent sur plusieurs approches comme la g?n?ration de biocarburant ? partir de la biomasse ou des algues et la conversion directe de l'eau et du CO2 en fuel gr?ce aux rayons lumineux. Cette derni?re est particuli?rement int?ressante puisqu'elle reproduit ce que les chercheurs appellent "la photosynth?se artificielle". Pour parvenir ? cet objectif, les chercheurs reproduisent le processus de photosynth?se en utilisant des mat?riaux avanc?s et de nouvelles mol?cules. La lumi?re est ainsi collect?e par des ?l?ments photovolta?ques puis utilis?e en vue de former des r?actions chimiques afin de cr?er du carburant uniquement ? partir d'eau et de dioxyde de carbone. Les chercheurs attendent de ce proc?d? une efficacit? sup?rieure ? celle obtenue par la photosynth?se naturelle.
     Les structures naturelles proposent des solutions aux probl?matiques actuelles, notamment dans le domaine de l'?nergie. Les capacit?s d'analyses, de compr?hension et de reproduction des structures et r?actions observ?es ? l'?chelle mol?culaire ont atteint une maturit? suffisante pour ouvrir de nouvelles perspectives. L'intensit? des recherches men?es afin de maitriser la photosynth?se en est l'exemple.

- [1] Ryu et al., Nano Lett., 2010, 10 (4), pp 1137-1143 (04/03/2010) DOI: 10.1021/nl903141j: http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XhoPx
- [2] Nam et al., Nature Nanotechnology, (11 April 2010) doi:10.1038/nnano.2010.57: http://redirectix.bulletins-electroniques.com/TjFSw
- [3] Le site officiel de Sun Catalytix : http://www.suncatalytix.com/about.html
- [4] Description du projet sur le site du ARPA-e : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/Wxqbf
- [5] Le site officiel du projet HELIOS : http://www.lbl.gov/msd/helios_site/index_helios.html
- Stanford researchers find electrical current stemming from plants, G. Dickey, Standford News, 13/04/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/yq1OP
- Blueprint for "artificial leaf" mimics Mother Nature, M. Bernstein, ACS News, 25/03/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XXVkB
- Viruses harnessed to split water, D. Chandler, MIT News Office, 12/04/2010 - http://web.mit.edu/newsoffice/2010/belcher-water-0412.html
* De l'?nergie issue de feuilles artificielles: la photosynth?se utilise la lumi?re du soleil et l'au pour produire de l'?nergie. Pourrait-on imiter ce proc?d? naturel pour obtenir de... l'hydrog?ne?! (ADIT, 2.8 Mo pdf, "Pour la science", 2011)
* Quand les cellules solaires s'inspirent de la nature! (ADIT, f?vrier 2008)
* Allemagne: Progress toward Artificial Photosynthesis?
* Australie: des cellules photovolta?ques ? chlorophyle synth?tique! (ADIT 2006)
* Produire de l'?lectricit? avec les ?pinards
Source http://www.technoscopie.info, ao?t 2004
* Le Nouvel Economiste, n?24, du 29 mars 1976, p. 51:
     Une plante artificielle capte l'?nergie solaire. Voil? dix ans qu'une ?quipe de chercheurs du laboratoire national Argonne, aux Etats-Unis, ?tudie le processus de la photosynth?se (Gazette Nucl?aire) v?g?tale. Certains r?sultats viennent d'?tre publi?s et on apprend notamment que le chef de cette ?quipe, le Dr Joseph Katz, a bel et bien r?alis? une ?feuille? artificielle capable de transformer la lumi?re en ?nergie ?lectrochimique, tout comme une v?ritable plante. Il s'agit d'une sorte de sandwich de verre, m?tal et caoutchouc, contenant de la chlorophylle. Cette ?feuille? peut au choix absorber du gaz carbonique et lib?rer de l'oxyg?ne, fabriquer des compos?s organiques de l'hydrog?ne, ou m?me produire directement de l'?lectricit?. Le tout en douceur, sans pollution aucune, ? partir de soleil et d'eau.
 * Site important: The Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP, 2010)
*Le nouveau magn?tisme des panneaux solaires (www.techniques-ingenieur.fr, 2011)
Science et Vie, janvier 2002
    Le m?canisme de photosynth?se est un mod?le du genre. C'est a travers lui que la nature exploite une source d'?nergie propre, renouvelable et gratuite: la lumi?re. Lors de cette r?action biochimique, les plantes vertes utilisent l'?nergie du Soleil pour produire un sucre dont l'?nergie est ensuite utilisable par d'autres organismes. Les chimistes tentent de r?aliser de telles conversions, avec des succ?s divers... L'?quipe am?ricaine de Alan Heyduck et Daniel Nocera, du Massachusetts Institute of Technology, travaille ainsi ? la mise au point de catalyseurs capables de pi?ger les photons pour alimenter une r?action chimique. Leur dernier: n? un complexe ? base de rhodium. Ce compos? m?tallique mis en solution avec un acide halog?n? et ?clair? par de la lumi?re d?clenche une r?action de production d'hydrog?ne. Ce gaz pourrait justement constituer une alternative aux ?nergies non renouvelables.
P.V.
* Une usine photochimique
Le Point, 23/6/2000
     Elle tourne ? plein r?gime d?s le printemps pour fabriquer le bois de l'ann?e.
     A l'entr?e de l'hiver, elle se met au ch?mage technique. Ann?e apr?s ann?e...
PAR FR?D?RIC LEWINO  

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Au printemps, quand le soleil se fait plus chaud, quand les jours s'allongent, l'arbre sort de sa l?thargie pour se muer en v?ritable usine photochimique. Alors, la s?ve bouillonnante prend d'assaut le tronc, les racines fouillent le sol pour en aspirer sucs et humidit?, et les bourgeons d?ploient leurs panneaux solaires en forme de feuilles. La fabrique chlorophyllienne est pr?te ? tourner ? plein r?gime!
    La photosynth?se, puisque c'est d'elle qu'il s'agit, s'empare de la lumi?re du soleil pour casser les mol?cules d'eau (H2O) livr?es dans la feuille par la s?ve brute. L'oxyg?ne ainsi lib?r? repart aussit?t dans l'atmosph?re sous forme de gaz, tandis que l'hydrog?ne s'allie au gaz carbonique absorb? par la feuille pour fabriquer des glucides. Ils donneront ensuite de l'amidon, puis de la lignine, qui compose le bois. Pour fabriquer un seul kilogramme de bois sec, l'arbre doit pi?ger le gaz carbonique contenu dans 4.000 m3 d'air! Ainsi, le Sherman Tree dont les 2.000 tonnes font l'arbre le plus lourd au monde, a respir? au cours de sa longue vie un volume d'air qui aurait pu recouvrir la France sur 20 m?tres!
    Le travail des feuilles ne s'arr?te pas ? la photosynth?se. Leur stakhanovisme les pousse ?galement ? synth?tiser les acides amin?s, briques de base des prot?ines. L'azote requis est puis? dans le sol par les racines, puis amen? jusqu'? la feuille par la s?ve brute. Enfin, comme tout organisme vivant, l'arbre a besoin de respirer. Il absorbe donc de l'oxyg?ne et rejette du gaz carbonique. En proportion moindre, toutefois, que la photosynth?se.
    Cet incessant va-et-vient de mol?cules entre les racines et les feuilles se d?roule par un r?seau de canaux plac?s sous l'?corce. Pour hisser la s?ve brute depuis les racines o? elle est fabriqu?e jusqu'? la cime de l'arbre, culminant parfois ? plus de 100 m?tres de hauteur, il faut pouvoir compter sur une puissance consid?rable. Celle-ci est fournie par deux moteurs. Le premier est actionn? par l'?vaporation qui se produit ? la surface des feuilles. Suivant l'arbre et les conditions climatiques, cette simple succion peut tirer une colonne de 60 m?tres en une heure. Le second moteur prend le relais du premier quand il ne fait pas assez chaud pour provoquer une ?vaporation. Cette fois, le m?canisme se loge dans les racines dont les cellules, en se chargeant d'ions puis?s dans le sol, cr?ent par osmose un appel d'eau qui pousse la s?ve brute vers le haut. 		suite:
     Un s?quoia peut ainsi hisser 2 tonnes d'eau par jour ? 100 m?tres de hauteur. Pendant les six mois de printemps et d'?t?, un ch?ne rouvre adulte suce 100 tonnes d'eau, soit 225 fois son poids. Une futaie de h?tres de 1 hectare absorbe et rejette dans l'atmosph?re 3.500 ? 5.000 tonnes d'eau par jour! Cette ?vaporation massive des for?ts du monde provoque un refroidissement de l'atmosph?re terrestre. Pour alimenter en flux tendu l'usine chlorophyllienne en eau et en nutriments, les racines ne cessent de s'?tendre. Le r?seau racinaire d'un arbre de 20 m?tres de hauteur exploite jusqu'? 250 m3 de terre.
    A c?t? de la s?ve brute, il en existe une autre, dite ?labor?e, ?manant des feuilles et qu'un deuxi?me r?seau achemine vers le reste de la plante. Cette fois, l'?coulement est assur? par un gradient de pression cr?? par la diff?rence de concentration en substances dissoutes.
    Ces deux r?seaux qui acheminent les s?ves brutes et ?labor?es sont refaits ? neuf chaque printemps. Ce travail est confi? au cambium, un tissu cellulaire qui entoure le bois comme un manchon. Il est ? double face: vers l'int?rieur de l'arbre, il fabrique le bois (aubier), compos? d'un entrelacement de cellules verticales qui v?hiculent la s?ve brute et de cellules horizontales (les rayons ligneux) qui stockent les r?serves de glucides; vers l'ext?rieur, le cambium fa?onne le liber, o? circule la s?ve ?labor?e. L'?corce poss?de elle aussi sa propre couche de cellules multiplicatrices fabriquant le li?ge. Chaque ann?e, l'arbre accumule donc une nouvelle couche de bois, appel?e cerne. Au bout de quelques ann?es, les cellules meurent, il ne reste plus que la lignine qui constitue le vrai bois. Celui-ci est donc mort. Ne dit-on pas qu'un arbre n'est rien d'autre qu'un cadavre recouvert d'une mince peau vivante? Le coeur d'un ch?ne, d'un marronnier ou d'un platane peut donc pourrir et dispara?tre sans probl?me. Sinon fragiliser l'arbre, qui, un jour ou l'autre, s'abattra sous son propre poids.
    L'usine chlorophyllienne tourne ? plein r?gime jusqu'? l'automne, quand les feuilles jaunissent et tombent. Condamn? au ch?mage technique, l'arbre ne reprendra vie qu'au printemps suivant. Et ainsi de suite durant des dizaines, des centaines, voire des milliers d'ann?es.
* Des cellules solaires sur le modèle des plantes (1999)
Source "techno forum", mars 1999, p.20; publication de diagonal verlags ag. melligen