Comment fonctionnent les piles à combustible microbiennes végétales

Si les piles à combustible microbiennes végétales se propagent, des plants de riz comme ceux-ci pourraient signifier de l'énergie ainsi que de la nourriture. Envie d'en savoir plus? Découvrez ces photos de véhicules à carburant alternatif. Creative Commons / midorisyu (sous licence CC BY 2.0)

Directement ou indirectement, presque toute la vie sur Terre est alimentée par l'énergie solaire.

Les plantes convertissent la lumière du soleil en composés organiques qui, lorsqu'ils sont consommés par une autre vie, transmettent l'énergie du soleil au reste du réseau trophique. En tant qu'êtres humains, nous accédons à cette énergie stockée par digestion et en brûlant des plantes brutes ou transformées. Le pétrole n'est que de la matière organique morte depuis longtemps transformée par les forces géologiques, et les biocarburants de première génération sont égrenés à partir de maïs, de canne à sucre et d'huile végétale [source: The New York Times].

Malheureusement, le pétrole est aussi rempli de problèmes d'environnement et de sécurité que d'énergie, et les biocarburants de première génération - qui sont raffinés en brûlant d'autres carburants - sont bien en deçà de la neutralité carbone. Pire encore, alors que les cultures vivrières mondiales perdent littéralement du terrain au profit de la production de biocarburants, la pénurie croissante fait grimper les prix des denrées alimentaires, la faim et l'instabilité politique [source: The New York Times].

Mais que se passerait-il s'il y avait un moyen d'avoir notre riz et de le brûler aussi? Et si nous pouvions tirer de l'énergie des cultures sans les tuer, ou générer de l'énergie en utilisant des plantes et des terres non nécessaires à l'alimentation, tout cela grâce au pouvoir des microbes? C'est l'idée derrière piles à combustible végétales microbiennes (PMFC).

Quand il s'agit de faire fonctionner la vie, les plantes peuvent avoir toute la bonne presse, mais c'est le microbe tant décrié qui maintient la chaîne alimentaire ensemble. Plus précisément, les cyanobactéries aident à former sa base; les microbes intestinaux nous aident à en digérer les aliments; et les bactéries du sol transforment les déchets résultants en nutriments que les plantes peuvent utiliser.

Pendant des décennies, les chercheurs ont cherché des moyens possibles de tirer de l'énergie de ce métabolisme microbien. Dans les années 1970, leurs efforts ont commencé à porter leurs fruits sous la forme de piles à combustible microbiennes (MFC) - dispositifs qui génèrent de l'électricité directement à partir d'une réaction chimique catalysée par des microbes [source: Rabaey et Verstraete]. Les MFC offrent des options renouvelables à faible consommation d'énergie pour la surveillance des polluants, le nettoyage et le dessalement de l'eau et l'alimentation des capteurs et instruments à distance.

Il y a un hic, bien sûr: les MFC ne fonctionnent que tant qu'ils ont quelque chose à fouiller - généralement, des matières organiques dans les eaux usées [sources: Deng, Chen et Zhao; ONR]. Les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient livrer ces déchets - un buffet sans fin alimenté par l'énergie solaire - directement aux microbes du sol des plantes elles-mêmes, et la graine d'une idée a été plantée..

En 2008, les chercheurs publiaient des articles annonçant le premier de ces MFC alimentés par des plantes, et le potentiel devenait de plus en plus clair [sources: Deng, Chen et Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et coll.]. Grâce à cette technologie évolutive, les villages et les fermes des pays en développement pourraient devenir autosuffisants, tandis que les pays industrialisés pourraient réduire leur empreinte de serre en puisant leur énergie dans les zones humides, les serres ou les bioraffineries [sources: Doty; PlantPower].

Les PMFC, en bref, sont une version plus récente et plus verte des «centrales électriques» - peut-être.

Contenu

1. Il n'y a pas d'endroit comme le terreau
2. PMFC: tous humides ou exceptionnels dans leur domaine?
3. Du pétrole aux socs

Le sol, en fait, est plein de potentiel (électrique) inexploité.

Alors que les plantes vertes s'occupent de la photosynthèse - convertissant l'énergie de la lumière du soleil en énergie chimique, puis la stockant dans des sucres comme le glucose - elles exsudent des déchets par leurs racines dans une couche de sol connue sous le nom de rhizosphère. Là, les bactéries se nourrissent des cellules mortes des plantes, ainsi que des protéines et des sucres libérés par leurs racines [source: Ingham].

En termes de PMFC, cela signifie que, tant que la plante vit, les bactéries ont un ticket-repas et la pile à combustible génère de l'énergie. La première loi de la thermodynamique, que certains traduisent par «il n'y a pas de repas gratuit», s'applique toujours parce que le système reçoit de l'énergie d'une source externe, à savoir le soleil.

Mais comment sur Terre, ou en dessous, les microbes génèrent-ils de l'électricité simplement en consommant et en métabolisant les aliments? Comme pour l'amour ou la pâtisserie, tout se résume à la chimie.

D'une manière générale, les MFC fonctionnent en séparant deux moitiés d'un processus électro-biochimique (métabolisme) et en les connectant ensemble dans un circuit électrique. Pour comprendre comment, regardons en détail le métabolisme cellulaire.

Dans l'exemple de manuel qui suit, le glucose et l'oxygène réagissent pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau [sources: Bennetto; Rabaey et Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6H₂O

Mais au sein des cellules individuelles - ou des organismes unicellulaires comme les bactéries - cette déclaration générale passe sous silence une série d'étapes intermédiaires. Certaines de ces étapes libèrent temporairement des électrons qui, comme nous le savons tous, sont pratiques pour produire de l'électricité. Ainsi, au lieu que le glucose et l'oxygène réagissent pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau, ici le glucose et l'eau produisent du dioxyde de carbone, des protons (ions hydrogène chargés positivement (H⁺)) et les électrons (e^-) [sources: Bennetto; Rabaey et Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

Dans un PMFC, cette moitié du processus définit la moitié de la pile à combustible. Cette partie est située dans la rhizosphère avec les racines des plantes, les déchets et les bactéries. L'autre moitié de la cellule se trouve dans de l'eau riche en oxygène sur le côté opposé d'une membrane perméable. Dans un cadre naturel, cette membrane est formée par la frontière sol-eau [sources: Bennetto; Rabaey et Verstraete; Deng, Chen et Zhao].

Dans la seconde moitié de la cellule, les protons et électrons libres se combinent avec l'oxygène pour produire de l'eau, comme ceci:

6O₂ + 24H⁺ + 24e^- → 12H₂O

Les protons atteignent cette seconde moitié en traversant la membrane échangeuse d'ions, créant une charge positive nette - et un potentiel électrique qui induit des électrons à circuler le long du fil de connexion externe. Voila! Courant électrique [sources: Bennetto; Rabaey et Verstraete; Deng, Chen et Zhao].

Mais combien?

Enracinement des problèmes potentiels

La détermination de l'impact environnemental des PMFC nécessitera des recherches plus poussées dans divers domaines, y compris la manière dont les électrodes affectent l'environnement racinaire. Ils pourraient potentiellement réduire la disponibilité des nutriments, par exemple, ou réduire la capacité d'une plante à lutter contre l'infection [source: Deng, Chen et Zhao].

De plus, parce qu'elles fonctionnent mieux dans certaines de nos terres les plus protégées - les terres humides et les terres cultivées - les PMFC pourraient faire face à un processus d'approbation environnementale rigoureux. D'un autre côté, les MFC des eaux usées peuvent oxyder l'ammonium et réduire les nitrates, il est donc possible que les MFC à base de plantes puissent équilibrer le risque en protégeant les zones humides du ruissellement agricole [sources: Deng, Chen et Zhao; Meunier; Tweed].

À partir de 2012, les PMFC ne produisent pas beaucoup d'énergie et ne fonctionnent que dans les environnements aquatiques, avec des plantes comme la mannagrass de roseau (Glyceria maxima), riz, cordillère (Spartina anglica) et roseau géant (Arundo Donax) [sources: Deng, Chen et Zhao; PlantPower]. Si vous rencontriez un champ de PMFC, comme le patch sur le toit de l'Institut néerlandais d'écologie de Wageningen, vous ne sauriez jamais que ce n'était rien de plus qu'une collection de plantes, à l'exception du câblage coloré qui sortait du sol [source: Williams].

Pourtant, leurs applications potentielles pour résoudre d'autres problèmes mondiaux de durabilité, y compris la pression exercée par les biocarburants sur un système d'approvisionnement alimentaire mondial déjà surchargé, continue d'inspirer les chercheurs et au moins une entreprise exploratoire, le projet PlantPower de 5,23 millions d'euros [sources: Deng , Chen et Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Parce que les PMFC travaillent déjà sur les plantes aquatiques, les agriculteurs et les villages n'ont pas besoin de jeter leurs cultures de riz à base d'eau pour les mettre en œuvre. À plus grande échelle, les communautés pourraient installer des PMFC dans les zones humides ou les zones de mauvaise qualité des sols, évitant ainsi la concurrence foncière entre la production d'énergie et de nourriture [source: Strik et al.]. Les environnements manufacturés tels que les serres pourraient produire de l'énergie tout au long de l'année, mais la production d'électricité sur les terres agricoles dépendrait de la saison de croissance [source: PlantPower].

Produire plus d'énergie localement pourrait réduire les émissions de carbone en réduisant la demande d'expédition de carburant - elle-même un contributeur majeur de gaz à effet de serre. Mais il y a un hic, et c'est assez important: même si les PMFC deviennent aussi efficaces que possible, ils sont toujours confrontés à un goulot d'étranglement - l'efficacité photosynthétique et la production de déchets de l'usine elle-même..

Les plantes sont étonnamment inefficaces pour transformer l'énergie solaire en biomasse. Cette limite de conversion provient en partie de facteurs quantiques affectant la photosynthèse et en partie du fait que les chloroplastes n'absorbent la lumière que dans la bande 400-700 nanomètres, ce qui représente environ 45 pour cent du rayonnement solaire entrant [source: Miyamoto].

Les deux types les plus répandus de plantes photosynthétiques sur Terre sont connus sous le nom de C3 et C4, ainsi nommés en raison du nombre d'atomes de carbone dans les premières molécules qu'ils forment pendant le CO₂ ventilation [sources: Seegren, Cowcer et Romeo; SERC]. La limite de conversion théorique pour les plantes C3, qui représentent 95% des plantes sur Terre, y compris les arbres, plafonne à seulement 4,6%, tandis que les plantes C4 comme la canne à sucre et le maïs grimpent plus près de 6%. En pratique, cependant, chacun de ces types de plantes n'atteint généralement que 70 pour cent de ces valeurs [sources: Deng, Chen et Zhao; Miyamoto; SERC].

Avec les PMFC, comme avec toute machine, une partie de l'énergie est perdue lors de l'exécution des travaux - ou, dans ce cas, lors de la croissance de l'usine. De la biomasse produite par la photosynthèse, seulement 20 pour cent atteint la rhizosphère, et seulement 30 pour cent de cette biomasse devient disponible pour les microbes comme nourriture [source: Deng, Chen et Zhao].

Les PMFC récupèrent environ 9 pour cent de l'énergie du métabolisme microbien résultant sous forme d'électricité. Au total, cela équivaut à un taux de conversion solaire-électrique PMFC approchant 0,017% pour les usines C3 ((70% du taux de conversion de 4,6%) x 20% x 30% x 9%) et 0,022% pour les usines C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [sources: Deng, Chen et Zhao; Miyamoto; SERC].

En fait, certains chercheurs pensent que ces hypothèses peuvent sous-estimer le potentiel des PMFC, ce qui ne peut être qu'une bonne nouvelle pour les consommateurs..

C'est hydromatique

L'intérêt pour les piles à combustible, qui permettent aux voitures de parcourir plus de kilomètres que la batterie seule et qui sont plus faciles à mettre en œuvre dans les gros véhicules, a continué d'augmenter en novembre 2012 [source: Ko]. Mais, alors que l'hydrogène peut sembler écologique, sa production nécessite beaucoup d'électricité, ce qui le rend tout sauf neutre en carbone [source: Wüst]. Les PMFC, qui produisent naturellement de l'hydrogène gazeux, pourraient offrir l'espoir d'une production d'hydrogène véritablement verte.

Vous regardez deux modèles différents de PMFC, tous deux placés sur un toit à Wageningen, aux Pays-Bas. Image courtoisie Marjolein Helder / Plant-e

Comme toute nouvelle technologie, les PMFC sont confrontés à un certain nombre de défis; par exemple, ils ont besoin d'un substrat qui favorise simultanément la croissance des plantes et le transfert d'énergie - deux objectifs parfois contradictoires. Les différences de pH entre les deux moitiés de cellule, par exemple, peuvent entraîner une perte de potentiel électrique, car les ions «court» à travers la membrane pour atteindre l'équilibre chimique [source: Helder et al.].

Si les ingénieurs peuvent résoudre les problèmes, les PMFC pourraient avoir un potentiel à la fois vaste et varié. Tout dépend de la quantité d'énergie qu'ils peuvent produire. Selon une estimation de 2008, ce nombre magique se situe à environ 21 gigajoules (5 800 kilowattheures) par hectare (2,5 acres) chaque année [source: Strik et al.]. Des recherches plus récentes ont estimé que ce nombre pourrait atteindre 1 000 gigajoules par hectare [source: Strik et al.]. Quelques faits supplémentaires pour la perspective [sources: BP; Commission européenne]:

• Un baril de pétrole contient environ 6 gigajoules d'énergie chimique.
• L'Europe abrite 13,7 millions d'agriculteurs, chaque exploitation agricole d'une superficie moyenne de 12 hectares (29,6 acres).
• À titre de comparaison, l'Amérique compte 2 millions d'agriculteurs d'une superficie moyenne de 180 hectares (444,6 acres) chacun.

Sur la base de ces chiffres, si 1 pour cent des terres agricoles américaines et européennes étaient converties en PMFC, cela donnerait une estimation à l'arrière de l'enveloppe de 34,5 millions de gigajoules (9,58 milliards de kilowattheures) par an pour l'Europe et de 75,6 millions de gigajoules (20,9 milliards de kilowattheures) par an pour l'Amérique.

À titre de comparaison, les 27 pays de l'Union européenne en 2010 ont consommé 1759 millions tonnes d'équivalent pétrole (TOE) en énergie, soit 74,2 milliards de gigajoules (20,5 billions de kilowattheures). TOE est une unité normalisée de comparaison internationale, égale à l'énergie contenue dans une tonne de pétrole [sources: Commission européenne; Universcience].

Dans ce scénario simplifié, les PMFC fournissent une goutte dans un très grand seau d'énergie, mais c'est une goutte sans pollution et une goutte générée à partir de paysages luxuriants au lieu de centrales électriques fumigènes ou de parcs éoliens destructeurs d'oiseaux.

De plus, ce n'est que le début. Les chercheurs travaillent déjà sur des bactéries engloutissant les déchets plus efficaces et, entre 2008 et 2012, les progrès de la chimie des substrats ont plus que doublé la production électrique dans certains PMFC. PlantPower fait valoir qu'une fois perfectionnés, les PMFC pourraient fournir jusqu'à 20 pour cent des énergie primaire -- c'est-à-dire l'énergie provenant de ressources naturelles non transformées [source: Øvergaard; PlantPower].

Les PMFC doivent devenir moins chers et plus efficaces avant de pouvoir bénéficier d'une large mise en œuvre, mais des progrès sont en cours. Déjà, de nombreux MFC économisent de l'argent en fabriquant des électrodes à partir de tissu de carbone hautement conducteur plutôt que de métaux précieux ou de feutre de graphite coûteux [sources: Deng, Chen et Zhao; Tweed]. À partir de 2012, il en coûtait 70 $ pour faire fonctionner une installation d'un mètre cube dans des conditions de laboratoire.

Quand on considère leur potentiel d'élimination des polluants et de réduction des gaz à effet de serre, qui sait? Les PMFC pourraient susciter suffisamment d'intérêt des investisseurs et des gouvernements pour devenir les centrales électriques du futur - ou semer les graines d'une idée encore meilleure [source: Deng, Chen et Zhao].

Note des auteurs: Comment fonctionnent les piles à combustible microbiennes végétales

Si vous y réfléchissez bien, la construction d'une batterie capable de fonctionner à partir des processus digestifs bactériens nous rapproche des cyborgs et des machines autonomes. Le corps humain dépend des bactéries intestinales pour convertir les aliments en énergie; si nous pouvions exploiter ce processus pour extraire les piles à combustible, nous pourrions également alimenter des implants corporels, tels que des stimulateurs cardiaques.

Des chercheurs de la Harvard Medical School et du Massachusetts Institute of Technology ont déjà brouillé cette ligne en construisant une puce cérébrale alimentée par le glucose, qu'elle récolte à partir du liquide céphalo-rachidien recirculé [source: Rapoport, Kedzierski et Sarpeshkar]. Les cyber-cerveaux peuvent-ils être loin derrière? (Eh bien, oui, probablement).

Imaginez: nous pourrions construire des machines qui broutent! OK, cela peut ne pas sembler aussi sexy que les fusils à rayons et les fusées, mais de telles machines pourraient rester actives sur le terrain indéfiniment sans avoir besoin d'une recharge ou de nouvelles batteries. Une collection de MFC pourrait former un intestin de fortune, tirant l'électricité du glucose de l'usine.

Si quelqu'un poursuit cette idée, j'espère qu'il emploiera des PMFC. J'imagine des troupeaux de robots en céramique blanche couverts de Salvia hispanica, et je pose la question:

Les androïdes rêvent-ils de Chia Pets électriques??

Articles Liés

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Sources

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