26/07/2011 - Photosynthèse artificielle: le défi de produire des combustibles à partir de l'énergie solaire

Menéame

Aujourd ' hui, le débat sur les changements climatiques et le développement des énergies renouvelables est un sujet qui suscite de grandes passions tant au sein de la société que dans la communauté scientifique. Le grand avantage des énergies renouvelables est qu’elles sont théoriquement inépuisables (lumière solaire, vents, etc.) et que beaucoup d’entre elles n’émettent pas de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone (CO2), dans l’atmosphère. Malheureusement, le coût de l’énergie produite à partir de ces technologies est encore beaucoup plus élevé que le coût lié à l’utilisation de combustibles fossiles, comme le charbon ou le pétrole, ce qui rend leur utilisation très difficile.

Un autre inconvénient important, cependant, est le coût élevé associé au stockage de cette énergie, car la production d’énergie à partir de ces sources, souvent irrégulières ou aléatoires, ne peut guère être synchronisée avec la demande générée par la société.

Une solution très attrayante dans ce contexte est basée sur l’imitation du processus naturel que les plantes et les bactéries effectuent depuis des millions d’années, la photosynthèse. Ce domaine de recherche, connu sous le nom de photosynthèse artificielle, est déjà l’un des plus grands défis de la chimie du XXIe siècle, et vise à développer des dispositifs qui ne se limitent pas à capter l’énergie solaire et à la convertir en électricité (comme une cellule photovoltaïques), mais qui vise à utiliser cette énergie pour produire un combustible, par exemple de l’hydrogène, directement dans le dispositif. Ainsi, l’énergie solaire serait directement utilisée pour séparer l’eau en oxygène et en hydrogène. Le grand avantage est donc que l’énergie pourrait être facilement stockée, car le procédé produit un combustible, non pas de l’électricité, de la même manière que les plantes stockent le glucose qu’elles génèrent à travers la photosynthèse.

Avec la technologie actuelle, en fait, il est déjà possible d’utiliser l’électricité produite par une plaque photovoltaïques pour produire de l’hydrogène à partir de l’approvisionnement en eau; le problème est que ce processus est très inefficace. Le grand défi à cet égard est de développer un catalyseur chimique qui réussit à dissocier l’eau en hydrogène et en oxygène en utilisant l’énergie solaire absorbée. Un tel photocatalyseur devrait être capable d’extraire successivement quatre électrons de deux molécules d’eau, et pour comprendre la difficulté de ce processus, il suffit d’indiquer qu’à ce jour, seul un catalyseur capable d’accomplir cette tâche est connu. Il s’agit du photosystème II de la machine photosynthétique naturelle, dont la structure atomique détaillée a été déterminée en l’an 2000 après plus de 20 ans de recherche dans cette direction.

En mars de cette année, j’ai assisté à une conférence intéressante organisée par l’Université de Leiden (Pays-Bas), qui, sous le titre "Modeling naturel et artificiel photosynthesis," avait pour but de stimuler les contacts entre chercheurs travaillant dans divers domaines liés à ce thème. Les thèmes de discussion ont principalement porté sur deux aspects: 1) la compréhension des mécanismes de capture de lumière dans les protéines dites antenne photosynthétiques provenant de plantes et de bactéries, pour reproduire leur extraordinaire efficacité dans les systèmes artificiels, et 2) le développement de catalyseurs permettant de générer le combustible désiré en utilisant l’énergie solaire capturée. Ces deux aspects représentent des défis de premier ordre, qui nécessitent la collaboration de produits chimiques provenant de domaines très différents (synthèse, simulation informatique, techniques de spectroscopie électronique, etc.) pour atteindre des dispositifs efficaces et économiquement viables. Dans mon cas, j’ai été invité à exposer le travail que nous avons réalisé à l’Institut de chimie informatique (IQC) de l’Université de Gérone, en mettant l’accent sur la façon dont la structure moléculaire (atomique) des protéines photosynthétiques régule et contrôle les processus de capture de lumière par simulation par ordinateur.

Un autre exemple de centres à l’intérieur de nos frontières qui ont été séduits par ce défi a été trouvé à l’Institut catalan de recherche chimique (ICIQ), qui ont récemment lancé une ligne de recherche pour le développement de catalyseurs en photosynthèse artificielle. Un autre signe de l’intérêt majeur que suscite ce domaine de recherche est la célébration en ce mois d’août de la première conférence visant à construire un projet global en photosynthèse artificielle. Cette conférence, qui aura lieu sur l’île de Lord Howe, en Australie, sous le titre Towards Global Artificial Photosynthesis . Energy, Nanochemistry and Governance bénéficie de l’appui du secteur des sciences naturelles de l’UNESCO, et vise à débattre non seulement des aspects purement scientifiques, mais aussi des stratégies de financement et de collaboration entre entités de différents pays afin de promouvoir le développement d’un projet global en photosynthèse artificielle. L’initiative la plus ambitieuse dans ce domaine, Cependant, est venu des États-Unis l’année dernière avec l’annonce par le Département de l’énergie des États-unis du Joint Center for Artificial Photosynthesis , un programme hautement multidisciplinaire dirigé par la Californie Instiute of Technology et le Lawrence Berkeley National Laboratory, qui recevra un financement de 122 millions de dollars au cours des 5 prochaines années dans le but de stimuler le développement de dispositifs capables de générer des combustibles directement à partir de l’énergie solaire.

Bien que cette technologie soit encore dans son enfance et qu’il faudra encore des années avant qu’il ne soit possible d’intégrer toutes les étapes nécessaires pour capturer la lumière du soleil et produire le carburant final de manière économiquement viable, il ne fait aucun doute que les progrès dans ce domaine de recherche promettent d’être très excitants dans les années à venir.

À propos de l’auteur

Carles Curutchet est chercheur postdoctoral Beatriu de Pinós à l’Institut de chimie informatique (IQC) de l’Université de Gérone et, dans les mois à venir, il sera intégré à l’université de Barcelone pour mettre en place sa propre ligne de recherche par le biais du programme Ramón et Cajal financé par le Ministère de la science et de l’innovation. Sa carrière de chercheur a commencé à l’Université de Barcelone, où il a été diplômé en chimie théorique et informatique en 2005, puis a effectué des séjours postdoctoraux en Italie et au Canada dans les universités de Pise (2005), Parma (2006-2007) et Toronto (2008-2009). Leurs intérêts actuels se concentrent sur l’étude théorique des processus de transfert d’énergie électronique dans les systèmes photosynthétiques naturels et artificiels.

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