La recherche de sources d’énergie propres, durables et sans impact significatif sur l’environnement est l’un des principaux défis de notre époque. Le changement climatique s’accélère, les ressources s’épuisent, tandis que toutes les technologies qui lient nos modes de vie hyper-connectés et l’écologie se multiplient. Récemment, des chercheurs américains ont démontré la capacité de certaines algues à faire fonctionner un processeur d’ordinateur pendant près d’un an ! Ces résultats prometteurs pourraient indiquer une solution potentielle à la demande énergétique croissante de nos équipements électroniques.
L’Internet des objets (IoT), ou IOT en anglais (Internet Of Things), est la relation entre Internet et les objets, lieux et environnements physiques. Ce terme désigne le nombre croissant d’objets connectés à Internet, qui permet de faire le lien entre les biens dits physiques et leur existence numérique. Par conséquent, des sources d’énergie durables, abordables et décentralisées sont nécessaires pour alimenter ce réseau d’appareils électroniques.
La consommation électrique d’un seul appareil connecté à Internet est souvent faible, nécessitant une puissance allant de microwatts (microwatts) à milliwatts (milliwatts). Mais le nombre d’appareils a déjà atteint plusieurs milliards et devrait atteindre un billion d’ici 2035, nécessitant un grand nombre de sources d’alimentation portables (batteries ou power harvesters). Cependant, les batteries sont en grande partie basées sur des matériaux coûteux et instables (éléments de terres rares) et leur capacité de charge finit par s’épuiser. Les collecteurs d’énergie existants (solaire, température, vibration) durent plus longtemps, mais peuvent avoir des impacts environnementaux négatifs. En particulier, des matières dangereuses sont utilisées dans la production de photovoltaïque.
À cet égard, un groupe de l’Université de Cambridge, dirigé par Christopher Howe du Département de biochimie, a développé un système capable de générer de l’énergie à l’aide d’algues. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science.
La photosynthèse comme moteur
Dans le but de créer un dispositif photosynthétique capable de générer de l’énergie par lui-même, l’équipe a étudié une algue non toxique appelée Synechocystis, ou « algue bleu-vert », utilisée entre autres dans la recherche médicale. Il utilise naturellement l’énergie du soleil grâce à la photosynthèse et produit de l’oxygène. Mais la question était de savoir si cela suffirait pour alimenter de manière durable de petits appareils électroniques.
En termes simples, un système de taille comparable à une pile AA contient des algues qui effectuent la photosynthèse. Le faible courant électrique ainsi généré interagit alors avec l’électrode en aluminium et sert à alimenter le microprocesseur.
Dans une expérience, l’appareil a été utilisé pour alimenter un microprocesseur Arm Cortex M0+ couramment utilisé dans les appareils connectés. En particulier, le système alimente uniquement le processeur Cortex-M0+ sur la puce de test avec une puissance minimale de 0,3 µW. Une carte de test électronique vérifie le fonctionnement du processeur et mesure le potentiel et l’intensité de la sortie électrique du dispositif photosynthétique. Les données sont transférées vers le système cloud via le Raspberry-pi et le routeur. Le reste de la puce de test, à l’exception du processeur Cortex-M0 +, et de tous les autres composants électroniques de la carte de test, du Raspberry-pi et du routeur sont alimentés par le secteur.
Dispositif expérimental avec dispositif photosynthétique, carte de test, Raspberry-pi et connexion cloud. © K. Howe et al., 2022.
Dans un premier temps, l’appareil photosynthétique a été testé dans des conditions de laboratoire avec une exposition à la lumière pendant 6 heures, puis 6 heures dans l’obscurité, à une température constante de 22°C. Deuxièmement, il travaillait chez lui, dans des conditions semi-ouvertes avec la lumière naturelle et les fluctuations de température associées. L’assemblage a produit suffisamment d’électricité pendant six mois pour faire fonctionner le processeur. Ce dernier fonctionnait par cycles de 45 minutes en mode calcul et 15 minutes en mode veille pour simuler une utilisation normale.
Cycle de fonctionnement du dispositif expérimental. © K. Howe et al., 2022.
Le Dr Paolo Bombelli, du département de biochimie de l’Université de Cambridge et auteur principal de l’étude, a déclaré dans un communiqué: « Nous avons été impressionnés par la fluidité du système sur une longue période – nous pensions qu’il pourrait s’arrêter après quelques semaines. . mais il a continué à marcher. En effet, après 6 mois d’expérimentation, l’appareil a poursuivi son activité pendant encore 6 mois, portant la durée totale à près d’un an.
Utilisation réutilisable, durable et économique
Le système est fabriqué à partir de matériaux courants, peu coûteux et largement recyclables. Cela signifie qu’il peut être facilement reproduit des centaines de milliers de fois pour alimenter un grand nombre de petits appareils IoT. Les chercheurs pensent que cela sera probablement plus utile dans les situations où il n’y a pas de réseau ou dans des endroits éloignés où une si petite quantité de puissance de sortie peut être très utile. C. Howe note : « Notre appareil photosynthétique ne se décharge pas comme une batterie, car il utilise constamment la lumière comme source d’énergie.
De plus, l’algue n’a pas besoin d’être nourrie, car elle crée sa propre nourriture grâce au processus de photosynthèse. Et malgré le fait que la photosynthèse nécessite de la lumière, l’appareil continue de produire de l’électricité la nuit. Les chercheurs pensent que cela est dû au fait que les algues recyclent une partie de leur nourriture lorsqu’il n’y a pas de lumière, ce qui continue à générer un courant électrique.
L’utilisation d’autres matériaux recyclables, que l’on trouve en abondance sur Terre, contribuerait à la diffusion de cette technologie dans des régions où il n’y a pas assez d’énergie et où il y a aussi peu de moyens financiers. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour réaliser cette percée en vue d’une commercialisation future. Ils peuvent également permettre de trouver d’autres types d’algues avec un rendement plus élevé.
