La photosynthèse est le processus par lequel les plantes utilisent l'énergie solaire pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en glucides et en oxygène. Les glucides, qui se composent de carbone, d'hydrogène et d'oxygène sont, bien entendu, des éléments nutritifs. L'objectif de la photosynthèse artificielle n'est pas seulement de construire des dispositifs et systèmes reproduisant la photosynthèse biologique, mais aussi de parvenir à un produit final apte à rassasier l'appétit de la civilisation pour l'énergie plutôt que son besoin de nourriture.
La photosynthèse artificielle présente l'avantage de ne pas émettre de carbone puisque l'utilisation du combustible obtenu par le procédé renvoie dans l'environnement une quantité de carbone identique à celle qui a été prélevée pendant la synthèse. De ce fait, en plus de la génération d'énergie, beaucoup considèrent que ce processus sera crucial en supprimant de l'atmosphère du dioxyde de carbone en excédent.
Feuilles artificielles, feuilles bioniques
L'énergie solaire classique emploie une cellule solaire pour produire de l'électricité mais, si l'énergie n'est pas utilisée immédiatement, elle doit être stockée sous peine d'être perdue. Ce problème s'est avéré énorme. Au contraire, l'avantage de la photosynthèse artificielle est que le résultat final est un produit chimique stable -- glucide ou autre --, qui stocke l'énergie dans ses liaisons chimiques et peut être utilisé pour générer de l'énergie à tout moment.
Appelés feuilles artificielles ou feuilles bioniques, certains de ces dispositifs produiront des combustibles pouvant être directement utilisés comme sources d'énergie pour produire de l'électricité, par exemple. D'autres produiront des composés riches en énergie représentant d'importants composants de procédés industriels. Si ces composants de nature chimique n'étaient pas générés par ce procédé, leur production exigerait un apport en énergie provenant d'autres sources.
La nature à la rescousse
L'un des aspects les plus intéressants de la photosynthèse artificielle est que ces projets, de par leur nature même, reposent sur la collaboration de spécialistes en biologie et en sciences physiques. Il en est ainsi parce que la vedette du projet est généralement une bactérie.
Dans un dispositif conçu par le chimiste Peidong Yang, du Lawrence Berkeley National Laboratory, des fils spéciaux produits par nanotechnologie captent la lumière solaire et la convertissent en électrons mobiles et énergétiques. Les fils protègent les bactéries sensibles contre les produits chimiques potentiellement nuisibles présents dans l'air et le système transfère les électrons aux bactéries qui, dans cette adaptation, produisent l'acétate chimique. Ce produit est un important composant chimique riche en énergie pour de nombreux procédés industriels.
Les nanofils se composent d'oxyde de titane et de silicium absorbant chacun la lumière solaire à des longueurs d'onde différentes. Les bactéries utilisées, sporomusa ovata, ont la capacité reconnue d'employer les électrons mobiles pour décomposer le dioxyde de carbone. Dans ce cas, les électrons sont captés par les nanofils et non par un organisme biologique.
Dans le processus, les électrons des nanofils décomposent l'eau en oxygène moléculaire et en ions d'hydrogène. Les bactéries, qui sont placées autour des fils et isolées de l'atmosphère, captent les électrons et les ajoutent au CO2 pour former l'acétate susmentionné. L'étape finale consiste à convertir l'acétate en combustible, comme le ferait une plante verte, ou en autres composés utiles. La réaction globale est la production par énergie solaire d'acide acétique et d'eau à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Au fil des ans, de nombreuses recherches ont visé ces résultats par des méthodes purement électrochimiques. Aucune ne s'est avérée viable jusqu'à présent et les seuls progrès ont résulté de l'emploi d'un catalyseur bactérien.
Selon M. Yang, cette version du projet donne un taux de conversion de l'énergie solaire inférieur à 1 pour cent seulement, ce qui est compatible avec le rendement des plantes vertes dans la nature. Il espère pouvoir porter ce taux de rendement à 3 pour cent dans un proche avenir et prévoit qu'un taux éventuel de 10 pour cent sera suffisant pour que le produit soit commercialement viable. Il convient de mentionner que dans d'autres expériences, des nanofils similaires sont utilisés dans des systèmes pour générer de l'électricité de manière simple selon un procédé semblable à celui, bien connu maintenant, des cellules solaires.
Usines biologiques
La photosynthèse artificielle offre d'autres possibilités intéressantes. En altérant les bactéries utilisées, il est possible de générer d'autre produits chimiques que les glucides ou l'acétate. La présence d'autres catalyseurs bactériens rend également possible la conversion directe de l'acide acétique en acétylcoenzyme A (Acétyle-CoA).
Figure 1 : Expérience de photosynthèse artificielle au Lawrence Berkeley National Laboratory. (Source : Lawrence Berkeley National Laboratory)
L'acétyle-CoA est un facteur important du métabolisme des animaux et, comme l'indique l'illustration ci-dessus, il pourrait bien être le point de départ de la génération d'un grand nombre de composés chimiques utiles.
Ceci ouvre une autre possibilité pour la photosynthèse artificielle. Même avant de devenir une source conséquente de combustible ou un absorbant important de CO2, la photosynthèse artificielle pourrait être une source utile de produits chimiques difficiles à obtenir de manière écologique par d'autres procédés.
Dans le cadre du projet Bionic Leaf de l'Université Harvard, l'hydrogène gazeux produit en tant qu'étape intermédiaire est fourni à la bactérie génétiquement modifiée ralstonia eutropha, qui génère de l'isopropanol comme produit final. L'isopropanol est un dérivé particulièrement intéressant parce qu'il peut être employé comme carburant de la même manière que l'éthanol.
Hydrogène gazeux à Cal Tech
La méthode utilisée par le Joint Center for Artificial Photosynthesis de Cal Tech consiste à employer deux électrodes distinctes, générant de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux et non un produit chimique complexe. Une électrode absorbe et emploie l'énergie tirée de la lumière solaire pour décomposer l'eau en ses constituants, à savoir protons, électrons et oxygène gazeux. L'autre sert à unir les électrons et les protons pour former de l'hydrogène gazeux. Le seul problème est que ce mélange est fréquemment utilisé pour propulser des fusées dans l'espace et présente donc un indubitable danger d'explosion, qui a été atténué par l'introduction d'une membrane isolant les gaz les uns des autres.
D'autres problèmes subsistent en ce qui concerne les électrodes, le principal étant que, lorsqu'elles sont exposées à l'eau, elles forment une sorte de « rouille » qui altère leur fonction. La solution a été d'utiliser un revêtement nickel-oxyde pour protéger les électrodes. Surtout, le nouveau revêtement n'entrave pas le fonctionnement de la membrane qui isole les gaz d'hydrogène et d'oxygène produits. Les tests effectués jusqu'à présent indiquent que le système tel que conçu continuera à fonctionner sans danger et de manière efficace (sans panne) pendant plusieurs centaines d'heures.
Aucune de ces méthodes n'aboutira au lancement d'un produit commercialement viable dans un proche avenir, mais le concept a maintenant fait ses preuves. Il est de plus en plus clair que nous disposons maintenant de la possibilité d'extraire de vastes quantités d'énergie de la lumière solaire et de les stocker de manière sûre et efficace afin de les utiliser au moment voulu et que l'acquisition d'une autre option viable en matière de source d'énergie n'est donc plus qu'une question de temps.