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 d'autres formes de vie, transmettent l'énergie du soleil au reste du réseau trophique. En tant qu'êtres humains, nous accédons à cette énergie stockée par la 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 chargé de problèmes environnementaux et de sécurité que l'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].
Et 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 la nourriture, tout cela grâce au pouvoir des microbes ? C'est l'idée derrière les piles à combustible végétales microbiennes (PMFC ).
Quand il s'agit de faire fonctionner la vie, les plantes ont peut-être 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 qui en résultent 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 ) -- appareils 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 surveiller les polluants, nettoyer et dessaler l'eau, et alimenter des capteurs et des instruments à distance.
Il y a un hic, bien sûr :les MFC ne fonctionnent que tant qu'ils ont quelque chose à grignoter -- 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 à partir des plantes elles-mêmes, et la graine d'une idée a été plantée.
En 2008, des 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 al.]. 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 tirant leur énergie des zones humides, des serres ou des bioraffineries [sources :Doty ; PlantPower].
En bref, les PMFC sont une version plus récente et plus verte des "centrales électriques" - peut-être.
Contenu
Il s'avère que le sol regorge d'un potentiel (électrique) inexploité.
Au fur et à mesure 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 appelée rhizosphère . Là, les bactéries mangent les cellules mortes des plantes, ainsi que les protéines et les sucres libérés par leurs racines [source :Ingham].
En termes 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 car le système reçoit de l'énergie d'une source externe, à savoir le soleil.
Mais comment sur Terre, ou sous celle-ci, les microbes génèrent-ils de l'électricité simplement en consommant et en métabolisant de la nourriture ? Comme pour l'amour ou la pâtisserie, tout dépend de la chimie.
D'une manière générale, les MFC fonctionnent en séparant les deux moitiés d'un processus électro-biochimique (métabolisme) et en les connectant ensemble dans un circuit électrique. Pour comprendre comment, examinons 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].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O
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 utiles pour générer 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 des électrons (e - ) [sources :Bennetto ; Rabaey et Verstraete].
C6 H12 O6 + 6H2 O → 6CO2 + 24H + + 24e -
Dans un PMFC, cette moitié du processus définit une 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 de l'autre côté d'une membrane perméable. En milieu naturel, cette membrane est formée par la limite sol-eau [sources :Bennetto; Rabaey et Verstraete ; Deng, Chen et Zhao].
Dans la seconde moitié de la cellule, les protons et les électrons libres se combinent avec l'oxygène pour produire de l'eau, comme ceci :
6O2 + 24H + + 24e - → 12H2 O
Les protons atteignent cette seconde moitié en traversant la membrane échangeuse d'ions, créant une charge positive nette - et un potentiel électrique qui incite les électrons à circuler le long du fil de connexion externe. Voilà! Courant électrique [sources :Bennetto; Rabaey et Verstraete ; Deng, Chen et Zhao].
Mais combien ?
Déraciner les problèmes potentielsLa détermination de l'impact environnemental des PMFC nécessitera des recherches supplémentaires dans divers domaines, notamment 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 combattre les infections [source :Deng, Chen et Zhao].
De plus, parce qu'ils fonctionnent mieux dans certaines de nos terres les plus protégées - les zones humides et les terres cultivées - les PMFC pourraient faire face à un processus d'approbation environnementale abrupt. D'autre part, les MFC des eaux usées peuvent oxyder l'ammonium et réduire les nitrates, il est donc possible que les MFC d'origine végétale puissent équilibrer le risque en protégeant les zones humides du ruissellement agricole [sources :Deng, Chen et Zhao ; Meunier; Tweed].
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Depuis 2012, les PMFC ne produisent pas beaucoup d'énergie et ne fonctionnent que dans les environnements aquatiques, avec des plantes comme la mannagras roseau (Glyceria maxima ), riz, spartine commune (Spartina anglica ) et roseau géant (Arundo donax ) [sources :Deng, Chen et Zhao ; PlantPower]. Si vous traversiez un champ de PMFC, comme le toit de l'Institut néerlandais d'écologie à Wageningen, vous ne sauriez jamais qu'il s'agissait de quelque chose 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, continuent 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. A plus grande échelle, les communautés pourraient mettre en place des PMFC dans les zones humides ou les zones de mauvaise qualité des sols, évitant ainsi la concurrence foncière entre production énergétique et alimentaire [source :Strik et al.]. Les environnements manufacturés comme les serres pourraient produire de l'énergie tout au long de l'année, mais la production d'électricité des 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 de transport de carburant, lui-même un important contributeur de gaz à effet de serre. Mais il y a un hic, et il 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 la plante elle-même.
Les plantes sont étonnamment inefficaces pour transformer l'énergie solaire en biomasse. Cette limite de conversion découle en partie de facteurs quantiques affectant la photosynthèse et en partie du fait que les chloroplastes n'absorbent que la lumière dans la bande 400-700 nanomètres, qui représente environ 45 % du rayonnement solaire entrant [source :Miyamoto].
Les deux types les plus répandus de plantes photosynthétisantes 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 répartition [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, ne dépasse pas 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 % de ces valeurs [sources :Deng, Chen et Zhao; Miyamoto ; SERC].
Avec les PMFC, comme avec n'importe quelle machine, une partie de l'énergie est perdue lors de l'exécution des travaux - ou, dans ce cas, lors de la croissance de la plante. De la biomasse construite par la photosynthèse, seulement 20 % atteignent la rhizosphère, et seulement 30 % de celle-ci devient disponible pour les microbes sous forme de nourriture [source :Deng, Chen et Zhao].
Les PMFC récupèrent environ 9% de l'énergie du métabolisme microbien résultant sous forme d'électricité. Au total, cela équivaut à un taux de conversion PMFC solaire-électrique approchant 0,017 % pour les centrales C3 ((70 % du taux de conversion de 4,6 %) x 20 % x 30 % x 9 %) et 0,022 % pour les centrales 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 pourraient sous-estimer le potentiel des PMFC, ce qui ne peut être qu'une bonne nouvelle pour les consommateurs.
C'est hydromatiqueL'intérêt pour les piles à combustible, qui permettent aux voitures de parcourir plus de kilomètres que la seule alimentation par batterie et qui sont plus facilement implémentées dans les gros véhicules, a continué de croître à partir de novembre 2012 [source :Ko]. Mais, alors que le carburant hydrogène peut sembler vert, 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 véritablement verte d'hydrogène.
Comme toute nouvelle technologie, les PMFC sont confrontées à un certain nombre de défis ; par exemple, ils ont besoin d'un substrat qui favorise à la fois 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, cependant, les PMFC pourraient détenir 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 s'élève 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 mettre en perspective [sources :BP ; Commission européenne] :
Sur la base de ces chiffres, si 1 % des terres agricoles américaines et européennes étaient converties en PMFC, elles donneraient une estimation approximative 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 ont consommé en 2010 1 759 millions de tonnes d'équivalent pétrole (TEP) en énergie, soit 74,2 milliards de gigajoules (20,5 billions de kilowattheures). La TEP est une unité standardisée de comparaison internationale, égale à l'énergie contenue dans une tonne de pétrole [sources :Commission européenne; Université].
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 par des paysages luxuriants au lieu de centrales électriques crachant de la fumée ou de parcs éoliens destructeurs d'oiseaux.
De plus, ce n'est que le début. Les chercheurs travaillent déjà sur des bactéries gobeuses de 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 affirme qu'une fois perfectionnés, les PMFC pourraient fournir jusqu'à 20 % de l'énergie primaire de l'Europe -- c'est-à-dire de l'énergie dérivée de ressources naturelles non transformées [source :Øvergaard ; PlantPower].
Les PMFC doivent devenir moins chères 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]. En 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 planter le germe d'une idée encore meilleure [source :Deng, Chen et Zhao].
Si vous y réfléchissez, la construction d'une batterie capable de fonctionner à partir de processus digestifs bactériens nous rapproche un peu plus des cyborgs et des machines auto-alimentées. Le corps humain dépend des bactéries intestinales pour convertir les aliments en énergie. si nous pouvions exploiter ce processus pour alimenter 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 du glucose, qu'elle récolte à partir du liquide céphalo-rachidien recirculé [source :Rapoport, Kedzierski et Sarpeshkar]. Les cybercerveaux 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 pistolets à rayons et les fusées, mais de telles machines pourraient rester actives indéfiniment sur le terrain 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 végétal.
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 ?
