Les défenseurs de l’énergie verte pourraient bientôt devenir bleus. Une nouvelle membrane pourrait libérer le potentiel de » l’énergie bleue « , qui utilise les différences chimiques entre l’eau douce et l’eau salée pour produire de l’électricité. Si les chercheurs peuvent augmenter la taille de la membrane qui mesure pour l’instant, celle d’un timbre-poste de façon 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.
» C’est impressionnant « , dit Hyung Gyu Park, ingénieur mécanicien de l’Université des sciences et technologies de Pohang, en Corée du Sud, qui n’a pas participé aux travaux. « Notre domaine attend ce succès depuis de nombreuses années. »
La promesse de l’énergie bleue découle de son échelle : Les rivières déversent quelque 37 000 km3 d’eau douce dans les océans chaque année. Cette intersection entre l’eau douce et l’eau salée crée un potentiel de production d’électricité considérable – 2,6 térawatts, selon une estimation récente, soit environ la quantité pouvant être produite par 2000 centrales nucléaires.
Il y a plusieurs façons de produire de l’électricité à partir de ce mélange. Et quelques centrales à énergie bleue ont été construites. Mais leur coût élevé a empêché leur adoption à grande échelle. Toutes les approches de l’énergie bleue reposent sur le fait que les sels sont composés d’ions, ou de produits chimiques qui portent une charge positive ou négative. Dans les solides, les charges positives et négatives s’attirent l’une l’autre, liant les ions ensemble. (Le sel de table, par exemple, est un composé fait d’ions de sodium chargés positivement et liés à des ions de chlorure chargés négativement). Dans l’eau, ces ions se détachent et peuvent se déplacer indépendamment.
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 bassins d’eau : un avec une charge positive et un avec une charge négative. S’ils trempent ensuite des électrodes dans les bassins et les relient par un fil, des électrons circuleront du côté à charge négative vers le côté à charge positive, produisant ainsi de l’électricité.
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 revêtu d’un nanotube de nitrure de bore (BNNT), un matériau à l’étude pour être utilisé, entre autres, dans des composites à haute résistance.
Comme les BNNT sont fortement chargés négativement, l’équipe française a soupçonné qu’ils empêcheraient les ions chargés négativement dans l’eau de passer à travers la membrane (parce que des charges électriques similaires se repoussent). Leur intuition était juste. Ils ont découvert que lorsqu’une membrane avec un seul BNNT était placée entre l’eau douce et l’eau salée, les ions positifs passaient du côté salé au côté frais, mais les ions chargés négativement étaient pour la plupart 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 – remplie de millions de pores par centimètre carré – pouvait générer environ 30 mégawattheures par an. C’est assez pour alimenter trois maisons.
Mais la création de films de la taille d’un timbre-poste s’est avérée impossible, car personne n’a trouvé comment faire en sorte que tous les longs et minces BNNT s’alignent perpendiculairement à la membrane. Jusqu’à présent.
Lors de la réunion semestrielle de la Materials Research Society ici hier, Semih Cetindag, un étudiant en doctorat dans le laboratoire de l’ingénieur mécanique Jerry Wei-Jen Shan à l’Université Rutgers à Piscataway, New Jersey aux Etats-Unis, a signalé que leur équipe a maintenant « craqué le code ». Les nanotubes étaient faciles. Semih Cetindag dit que le labo vient de les acheter à une entreprise de fournitures chimiques. Les scientifiques les ajoutent ensuite à un précurseur de polymère qui s’étale en un film de 6,5 micromètres d’épaisseur. Pour orienter les tubes alignés au hasard, les chercheurs ont voulu utiliser un champ magnétique. Le problème : les BNNT ne sont pas magnétiques.
Alors, Semih Cetindag a donc peint les tubes à charge négative avec un revêtement à charge positive ; les molécules qui le composent étaient trop grosses pour s’insérer dans les BNNT et laissaient donc leurs canaux ouverts. Semih Cetindag a ensuite ajouté au mélange des particules d’oxyde de fer magnétiques chargées négativement, qui se sont fixées aux revêtements chargés positivement.
Cela a donné à l’équipe de l’Université Rutgers le levier qu’elle recherchait. Lorsque les chercheurs appliquaient un champ magnétique, ils pouvaient manœuvrer les tubes de manière à ce que la plupart s’alignent sur le film polymère. Ils appliquaient ensuite une lumière ultraviolette pour durcir le polymère, verrouillant tout en place. 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 de l’eau douce, elle a produit quatre fois plus de puissance par surface que l’expérience BNNT de l’équipe française précédente. Cette augmentation de puissance, dit Jerry Wei-Jen Shan, est probablement due au fait que les BNNT qu’ils ont utilisés sont plus étroits et permettent donc d’exclure plus facilement les ions chlorure chargés négativement.
Et ils pensent qu’ils peuvent faire encore mieux. « Nous n’exploitons pas le plein potentiel des membranes », assure Semih Cetindag. C’est parce que seulement 2 % des BNNTS étaient en fait ouverts des deux côtés de la membrane après le traitement au plasma. Maintenant, les chercheurs essaient d’augmenter le nombre de pores ouverts dans leurs films – ce qui pourrait un jour donner un coup de pouce aux partisans de l’énergie bleue, longtemps recherchés.
http://ma.ecsdl.org/content/MA2019-02/19/1013.abstract
