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Grâce à une nouvelle membrane, les rivières pourraient générer autant d’énergie que des milliers de centrales nucléaires

energie bleue nouvelle membrane rend technologie viable
| Shutterstock

L’énergie bleue désigne l’électricité produite par les différences de charge électrique générées à l’interface de l’eau salée et de l’eau douce. Au regard de l’étendue des rivières, des fleuves, des mers et océans, cette énergie présente donc un potentiel virtuellement infini. Pour ce faire, les chercheurs utilisent des membranes pour créer l’interface et le transfert de charges. Cependant, jusqu’à présent, ces membranes étaient bien trop petites pour une application à grande échelle. Récemment, une équipe de chercheurs a découvert le moyen d’agrandir considérablement la taille de la membrane.

Une nouvelle membrane pourrait libérer le potentiel de « l’énergie bleue », qui exploite des différences chimiques entre l’eau douce et l’eau salée pour produire de l’électricité. Si les chercheurs peuvent proposer la membrane, de la taille d’un timbre-poste, à un prix abordable, elle pourrait fournir de l’énergie sans carbone à des millions de personnes dans les pays côtiers, où les rivières d’eau douce rencontrent la mer.

La promesse de l’énergie bleue tient à son ampleur : les rivières déversent chaque année quelque 37’000 kilomètres cubes d’eau douce dans les océans. Cette intersection entre l’eau douce et l’eau salée offre le potentiel de générer beaucoup d’électricité — 2.6 térawatts, selon une estimation récente, à peu près la quantité qui peut être générée par 2000 centrales nucléaires.

Produire de l’électricité grâce à l’interface eau salée/eau douce

Il existe plusieurs façons de générer de l’énergie à partir de ce mélange. Il faut savoir que quelques centrales à énergie bleue ont déjà été construites, mais leur coût élevé a empêché une adoption généralisée.

Toutes les approches de l’énergie bleue reposent sur le fait que les sels sont composés d’ions ou de produits chimiques qui contiennent une charge positive ou négative. Dans les solides, les charges positives et négatives s’attirent, liant les ions ensemble. Dans l’eau, ces ions se détachent et peuvent se déplacer indépendamment.

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Infographie expliquant le principe du dispositif. Crédits : Scientific American

En pompant les ions positifs — comme le sodium ou le potassium — de l’autre côté d’une membrane semi-perméable, les chercheurs peuvent créer deux piscines d’eau : une avec une charge positive et une autre avec une charge négative. S’ils plongent ensuite des électrodes dans les piscines et les connectent avec un fil, les électrons circuleront du côté chargé négativement vers le côté chargé positivement, générant de l’électricité.

Membrane et nanotubes de nitrure de bore

En 2013, des chercheurs français ont fabriqué une telle membrane. Ils ont utilisé un film céramique de nitrure de silicium — couramment utilisé dans l’industrie pour l’électronique, les outils de coupe et d’autres utilisations — percé d’un seul pore et doublé d’un nanotube de nitrure de bore (BNNT), un matériau à l’étude pour une utilisation dans les matériaux composites à haute résistance.

Parce que les BNNT sont fortement chargés négativement, l’équipe française pensaient qu’ils empêcheraient les ions chargés négativement dans l’eau de traverser la membrane (car des charges électriques similaires se repoussent). Ils ont constaté que lorsqu’une membrane avec un seul BNNT était placée entre l’eau douce et l’eau salée, les ions positifs se glissaient du côté salé vers le côté sans sel, mais les ions chargés négativement étaient principalement bloqués.

Le déséquilibre de charge entre les deux côtés était si fort que les chercheurs ont estimé qu’un seul mètre carré de la membrane — rempli de millions de pores par centimètre carré — pourrait générer environ 30 mégawattheures par an. C’est suffisant pour alimenter trois maisons. Mais la création même de films de format timbre-poste s’est avérée impossible, car personne n’avait jusqu’ici compris comment aligner tous les BNNT longs et minces perpendiculairement à la membrane.

Aligner les nanotubes grâce au magnétisme

Lors de la réunion semestrielle de la Materials Research Society, Semih Cetindag a rapporté que son équipe a réussi cette prouesse. Le laboratoire a acheté les BNNT à une entreprise d’approvisionnement en produits chimiques. Les scientifiques les ont ensuite ajoutés à un précurseur de polymère qui se propage dans un film de 6.5 micromètres d’épaisseur.

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Pour orienter les tubes alignés au hasard, les chercheurs ont voulu utiliser un champ magnétique. Le problème : les BNNT ne sont pas magnétiques. Cetindag a donc peint les tubes chargés négativement avec un revêtement chargé positivement ; les molécules qui le composaient étaient trop grosses pour tenir à l’intérieur des BNNT et laissaient ainsi leurs canaux ouverts.

Cetindag a ensuite ajouté des particules d’oxyde de fer magnétique chargées négativement au mélange, qui se sont fixées aux revêtements chargés positivement. Cela a donné à l’équipe Rutgers le levier qu’elle recherchait.

Une production d’énergie considérablement optimisée

Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique, ils ont pu manœuvrer les tubes de sorte que la plupart soient alignés sur le film polymère. Ils ont ensuite appliqué une lumière ultraviolette pour durcir le polymère, verrouillant le tout.

Enfin, l’équipe a utilisé un faisceau de plasma pour graver une partie du matériau sur les surfaces supérieure et inférieure de la membrane, en s’assurant que les tubes étaient ouverts de chaque côté. La membrane finale contenait quelque 10 millions de BNNT par centimètre cube.

Lorsque les chercheurs ont placé leur membrane dans un petit récipient séparant l’eau salée et l’eau douce, elle a produit quatre fois plus d’énergie par zone que l’expérience BNNT de l’équipe française précédente. Cette augmentation de puissance, dit Shan, est probablement due au fait que les BNNT qu’ils ont utilisés sont plus étroits et permettent donc mieux d’exclure les ions chlorure chargés négativement.

Et ils soupçonnent qu’ils peuvent faire encore mieux ! « Nous n’exploitons pas tout le potentiel des membranes » explique Cetindag. C’est parce que seulement 2% des BNNTS étaient réellement ouverts des deux côtés de la membrane après le traitement au plasma. Maintenant, les chercheurs tentent d’augmenter le nombre de pores ouverts dans leurs films.

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