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Au cours des dernières années, les scientifiques ont redoublé d’imagination afin de développer des dispositifs générant de l’énergie toujours plus performants. Si la majorité de ceux-ci utilisent l’énergie solaire ou hydro-électrique, c’est une autre direction qu’a choisi cette équipe de chercheurs américano-canadiens. En effet, ces derniers ont mis au point un nanogénérateur d’énergie triboélectrique utilisant les chutes de neige comme source d’énergie.

Basée sur les principes de l’effet triboélectrique, dans laquelle une charge électrique est générée après le contact de deux matériaux, la nouvelle technologie des chercheurs exploite le fait que les particules de neige transportent une charge électrique positive. En raison de cela, les flocons de neige cèdent leurs électrons, à condition qu’ils aient la possibilité d’interagir avec le bon matériau chargé négativement

« La neige est déjà chargée, alors nous avons pensé, pourquoi ne pas apporter un autre matériau avec la charge opposée et extraire la charge pour créer de l’électricité ? » explique le chimiste Maher El-Kady de UCLA.

Bien que personne n’ait jamais exploité la neige de cette manière auparavant, d’autres chercheurs ont fait la même chose avec d’autres matériaux. Le dispositif de l’équipe est un nanogénérateur triboélectrique, entièrement imprimable (impression 3D), utilisant un matériau qui repose sur l’effet triboélectrique et l’induction électrostatique pour récolter de l’énergie. La description du dispositif a été publiée dans la revue Nano Energy.

schema effet triboelectrique

Illustration expliquant le fonctionnement de l’effet triboélectrique. Crédits : F. rachidi

Ces dernières années, les scientifiques ont construit d’autres types de nanogénérateurs triboélectriques (TENG) qui captent l’électricité à partir des gouttes de pluie, des mouvements physiques, du frottement des pneus de voiture et même de la marche sur le sol. Dans toutes ces approches — y compris le nouveau TENG concernant la neige — le principe est le même, même si les méthodes diffèrent légèrement en fonction des types de mouvement et des matériaux en jeu.

« L’électricité statique résulte de l’interaction d’un matériau qui capture les électrons et d’un autre qui en cède » explique le chimiste de l’UCLA, Richard Kaner. « Vous séparez les charges et créez de l’électricité à partir de rien ».

Avec ce nouveau TENG, après avoir conçu le dispositif et utilisé l’impression 3D pour fabriquer l’électrode, les chercheurs ont mesuré sa puissance électrique à l’aide d’un certain nombre de matériaux triboélectriques différents jouant le rôle de couche fonctionnelle, qui n’étaient pas tous égaux.

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schema fonctionnement teng

Processus d’impression 3D, architecture avec les propriétés optiques et mécaniques d’un TENG à neige. (a) Illustration schématique du processus d’impression d’un TENG pour la neige, (a-i) impression d’une électrode en polymère conducteur ; l’encadré présente la composition chimique de l’encre, (a-ii) impression de la couche de triboélectrification à base d’encre de silicone durcissable par UV ; L’encart révèle la composition chimique de l’encre de silicone. (b) Illustration schématique de la structure du dispositif, comportant une surface avec des micro-reliefs de silicone durcissable aux UV. Les images SEM à gauche montrent le micromotif à différents grossissements. Les barres d’échelle sont respectivement de 100 µm et 50 µm. (c) Le principe de fonctionnement du dispositif basé sur la triboélectrification sur neige. d) Une photographie montrant la haute transparence de la couche de silicone; le logo de l’Université McMaster figurant à l’arrière-plan est reconnaissable à travers la couche de silicone. (e) Exposition du TENG à différentes conditions d’étirement. Crédits : Abdelsalam Ahmed et al. 2019

« Alors que la neige aime céder des électrons, les performances de l’appareil dépendent de l’efficacité de l’autre matériau à extraire ces électrons » explique El-Kady. « Après avoir testé un grand nombre de matériaux, notamment les feuilles d’aluminium et le téflon, nous avons constaté que le silicone produisait plus de charge que tout autre matériau ».

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Avec du silicone en tant que couche triboélectrique du dispositif, une charge électrique peut être générée par un certain nombre de mécanismes de contact différents, y compris la neige tombant directement sur la couche de silicone ou glissant contre celle-ci. Dans d’autres configurations, l’équipe a testé la couche de silicone entrant en contact avec la neige lorsqu’elle était fixée à une roue de bicyclette ou sous la semelle d’une chaussure de randonnée.

teng chaussures randonnee

Le TENG peut être placé sous des chaussures de randonnée. Crédits : Abdelsalam Ahmed

Bien que les quantités d’électricité générées au cours des expériences expérimentales n’étaient pas énormes (une puissance de 0.2 mW/m2 pour une densité de courant de 40 μA/m2), les chercheurs expliquent qu’il serait facile de transformer le TENG en panneaux solaires, ce qui les aiderait à produire de l’électricité par temps neigeux, lorsque leur efficacité solaire serait autrement réduite.

De plus, le TENG peut fonctionner comme une station météorologique miniaturisée pour surveiller la météo en temps réel et fournir des informations précises sur le taux de chute de neige, la profondeur d’accumulation de neige, la direction du vent et la vitesse dans des environnements enneigés et/ou verglacés.

En outre, il peut être utilisé comme source d’énergie portable et comme capteur biomécanique pour détecter les mouvements du corps humain, ce qui peut s’avérer utile pour les sports de neige.

Source : Nano Energy

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