La batterie à semi-conducteurs pourrait accélérer le basculement vers les véhicules électriques.

Contrairement aux batteries conventionnelles au lithium, Li-ion et LiPo, qui utilisent des électrolytes en gel liquide ou polymère, les batteries à semi-conducteurs utilisent un électrolyte solide. Ces batteries à semi-conducteurs, plus légères et plus petites que les batteries d’aujourd’hui, seraient rechargeables en une dizaine de minutes voire moins. Autre avantage significatif : leur plus grande densité énergétique permettrait de porter l’autonomie des voitures électriques à plus de 1000 kilomètres. Enfin, contrairement aux batteries conventionnelle, elles ne comportent pas de solvant organique liquide inflammable tel que le carbonate d’éthylène; elles sont donc plus stables et moins sensibles aux risques d’incendie.

Plusieurs grands constructeurs sont déjà sur les rangs et testent les premières batteries expérimentales utilisant cette technologie. C’est le cas, en particulier de Toyota, de Nissan et de Honda qui ont déposé plusieurs centaines de brevets concernant les accumulateurs à l’état solide. Les fabricants nippons sont soutenus par le gouvernement japonais qui a débloqué 25 milliards d’euros pour accélérer le basculement de son parc automobile vers le tout électrique.

Aux USA, General Motors, également subventionné par le gouvernement fédéral américain, espère aussi être dans le peloton de tête de la course au développement des batteries à l’état solide. Quand à Elon Musk, le patron de Tesla, il vient de son coté de racheter Maxwell Technologies un fabricant d’ultra-condensateurs en pointe sur le sujet..

Enfin, Volkswagen a également l’ambition de mettre sur le marché ses propres batteries à électrolyte solide vers 2025/2030. A cette fin, la firme allemande a tissé des partenariats avec des startups particulièrement innovantes comme QuantumScape en Californie ou Innolith en Allemagne. Cette dernière annonce une densité énergétique de sa batterie de 1 000 Wh/kg soit quatre à cinq fois plus que les batteries actuellement utilisées à bord des voitures électriques. Un site pilote est en cours de construction pour valider la technologie et préparer l’industrialisation et la production à grande échelle de ces batteries du futur.

La photosynthèse artificielle

L'épuisement des énergies fossiles et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre impose à l'humanité de trouver d'autres sources d'énergie. Cette nécessité est d’autant plus impérieuse que le nucléaire basé sur la fission de l'uranium semble devoir être abandonné dans de nombreux pays compte tenu des craintes que suscite cette technologie et de la difficulté à se débarrasser des déchets radioactifs qu'elle génère.  Aujourd’hui, l’éolien et le solaire permettent d'amorcer cette nécessaire transition énergétique mais toutes les études montrent que ces formes d'énergies seront cependant insuffisantes pour couvrir les besoins énergétiques de l'humanité dans le futur. De plus leur intermittence impose le recours à des batteries de stockage qui contiennent des métaux rares, coûteux et potentiellement générateurs de pollutions pernicieuses. D'autres technologies doivent donc encore être envisagées

 

Principe de la photosynthèse

La photosynthèse est un processus biochimique qui permet aux plantes de produire de la matière organique à partir du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O) grâce à la lumière du soleil. La matière organique produite sera par exemple du glucose (C6H12O6) qui conduira par polymérisation à la cellulose. Il faut alors six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau pour synthétiser une molécule de glucose, relâchant six molécules de dioxygène, grâce à l'énergie lumineuse.  

Le bilan global peut s'écrire de façon simplifié:

Cette équation globale masque en réalité un processus beaucoup plus complexe qui a a lieu dans les choroplastes, un organite spécifique des plantes, au niveau des membranes des thylacoïdes où se situent les photosystèmes I et II et les cytochromes. Ce processus bioénergétique a pour fonction d'extraire l'énergie lumineuse et de la convertir en énergie chimique, laquelle est ensuite utilisée pour fabriquer la matière organique à partir d'eau et de dioxyde de carbone.

Schématiquement , on peut décomposer la photosynthèse en deux groupes de réactions : 

Ces deux réactions (oxydation de l’eau et réduction du dioxyde de carbone) sont couplées dans un ensemble de réactions d’oxydoréduction faisant intervenir des transporteurs de protons (H+) ou d’électrons (e-) et les propriétés quantiques de la lumière :

   

D'ici la fin de ce siècle deux technologies en cours de développement pourraient nous aider à faire face au problème : la fusion nucléaire de l'hydrogène et le solaire spatial.

La fusion nucléaire consiste à faire fusionner des isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium) pour produire en un gaz neutre, l'hélium, en libérant une quantité faramineuse d'énergie : un kilo de matière produit autant d'énergie que 1000 tonnes de charbon. La fission nucléaire ne génère ni gaz à effet de serre ni déchet radioactif, un gros avantage par rapport au nucléaire actuel de fission de l'uranium. Actuellement 35 pays sont associés pour mettre au point cette technologie propre dans le cadre du projet Iter (le chemin en latin). Le site principal est à Cadarache en France. L'objectif est de rendre opérationnelle la fusion nucléaire à l'horizon 2060.

Le solaire spatial est une autre source d'énergie prometteuse à long terme. Le principe consiste à placer en orbite, à 36.000 km de la terre , une dizaine de km2 de panneaux solaires. L'énergie captée est envoyée à la Terre sous forme d'ondes électromagnétiques et les stations au sol convertissent ces ondes en électricité. A cette altitude, la centrale en orbite est constamment illuminée et donc le problème de l'intermittence ne se pose plus. Par ailleurs, l'absence d'atmosphère permet des rendements de conversion photovoltaïque bien supérieurs à ceux des panneaux terrestres. USA, Inde, Japon, Chine et Russie travaillent sur cette technologie et espèrent la voir déboucher concrètement aux alentours de 2050.

Enfin, une troisième voie gagne du crédit : la photosynthèse artificielle.

Au début les chercheurs sont partis de la première étape de la photosynthèse naturelle (voir encart ci-contre) celle de l'oxydation de l'eau en utilisant des catalyseurs métalliques pour dissocier les atomes de l'eau à l'aide d'un rayonnement lumineux. L'idée était de fabriquer ainsi de l'hydrogène susceptible d'être utilisé directement comme combustible ou de servir de vecteur d'énergie pour la production d'électricité dans une pile à combustible. Parmi les précurseur on peut citer Daniel Nocera, un chercheur du MIT ((Massachusetts Institute of Technology) qui présente en 2011, une "feuille artificielle" composée d’un assemblage de fines couches de différents métaux capables de catalyser la décomposition de l’eau sous l'effet de la lumière solaire. Les rendements obtenus, bien que comparables à ceux de la photosynthèse naturelle, étaient cependant encore bien trop faibles pour rendre économiquement viable une technologie utilisant des catalyseurs à base de métaux rares et coûteux. Les recherches se sont néanmoins poursuivies activement pour améliorer l'efficacité du procédé. Tout récemment, des chercheurs britanniques de l'Université de Cambridge, en collaboration avec une équipe japonaise de l'Université de Tokyo, ont annoncé avoir mis au point un nouveau photocatalyseur offrant un rendement nettement supérieur à celui de photosynthèse naturelle (1). A ce stade, le "fuel" produit est pour l'essentiel de l'acide formique, un produit utilisable soit comme combustible soit comme matière première pour la fabrication de l'hydrogène. Le photocatalyseur utilisé reste malgré tout très complexe à fabriquer et nécessite encore des métaux rares et onéreux. Pour éviter cet écueil, des chercheurs de l'Université d'Iéna en Allemagne, proposent une alternative en combinant des composés organiques photosensibles et des catalyseurs métalliques non-précieux. Le composé obtenu semble prometteur car il parvient en effet à générer de l'hydrogène gazeux quand il est soumis à un rayonnement lumineux en milieu aqueux (2). En France, des chercheurs innovants du CEA travaillent sur une photoelectrode qui repose sur une architecture hybride, basée sur un semi-conducteur interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble ne renferme que des éléments retrouvés en quantité abondante dans la croûte terrestre et peut donc produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau avec l'électricité qu'il autoproduit (3). D'autres chercheurs du CEA et leurs partenaires ont conçu de leur côté une voie de photosynthèse artificielle originale, basée sur l'utilisation de nano-polymères semi-conducteurs pour photo-oxyder l'eau (4).

Une toute autre voie est aussi explorée en utilisant l’autre versant de la photosynthèse naturelle, la réduction du CO2. Elle consiste donc à s'inspirer de la nature pour capter le dioxyde de carbone de l'air et le faire réagir avec de l'eau pour produire des molécules carbonées (pétrole synthétique ou autres produits chimiques destinés aux usages les plus divers : médicaments, plastiques, etc.). Cette approche de la photosynthèse artificielle pourrait ainsi contribuer au contrôle du climat en régulant la teneur en gaz carbonique de l'atmosphère tout en ouvrant une voie royale à une transition énergétique : celle où des plantes artificielles transformeraient le CO2 en carburants durables grâce à la lumière du soleil.
Une équipe internationale coordonnée par la Collège de France, a par exemple démontré qu'il est possible de transformer le gaz carbonique en hydrocarbures avec un rendement comparable voire supérieur à celle réalisée par les plantes avec un dispositif relativement simple et peu couteux (5). La technologie imaginée par ces chercheurs consiste à accoupler une cellule photovoltaïque bon marché à perovskite (6) et une simple cellule électrochimique à base de cuivre. La cellule à perovskite capture l'énergie solaire comme le font les panneaux photovoltaïques et la transforme en électricité que la cellule électrochimique va utiliser pour la production d'hydrocarbures à partir du gaz carbonique et de l'eau. Le gros avantage des perovskites est de pouvoir être imprimées sur divers supports et d'éviter l'usage de métaux rares, présentant de surcroît des risques pour l'environnement.

L'énergie solaire reçue par la Terre est immense : 1070 milliards de gigawattheures soit environ 100.000 milliards de tonnes d’équivalent pétrole. La photosynthèse capte moins d'un millième de cette insolation mais cela suffit à fournir toute l'énergie de la biosphère, celle nécessaire à l'ensemble des organismes vivants sur Terre. La consommation énergétique mondiale des humains, toute démesurée qu’elle soit, ne représente qu'environ un dix millième de l’énergie reçue du soleil.

Si l'espèce humaine parvient à maîtriser la photosynthèse artificielle, il lui suffira d’exploiter une infime fraction de l'énergie reçue du soleil pour disposer alors d'une énergie naturelle, renouvelable, propre et à profusion. Les dépenses militaires mondiales s’élèvent à près de 2000 milliards de dollars par an. Il suffirait d’orienter ces énormes budgets de mort vers des budgets dédiés à l’intéret des vivants pour parvenir à coup sûr à ce résultat. Le progrès technologique va en effet bien plus vite qu’on ne le pense pour peu qu'on le veuille. Entre le premier saut de puce de l’avion des frères Wright en 1903 et le premier pas sur la Lune de Neil Alstrong en 1969, il ne s'est écoulé que 66 ans, une durée inférieure à celle qui nous sépare de la fin de ce siècle. Dans un monde qui se globalise, la priorité des dirigeants politiques devrait être la coopération pour traiter les problèmes qui ne peuvent se résoudre qu’à l’échelle de la planète.

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  1. Wang, Q., Warnan, J., Rodríguez-Jiménez, S. et al. Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water. Nat Energy 5, 703–710 (2020).
  2. Daniel Costable et al., "1,7,9,10‐Tetrasubstituted PMIs Accessible through Decarboxylative Bromination: Synthesis, Characterization, Photophysical Studies, and Hydrogen Evolution Catalysis", Chemistry, A Europenan Journal, Volume27, Issue12, February 24, 2021, Pages 4081-4088.
  3. Communiqué du CEA, publié le 26 mai 2020, basé sur une publication de C. Tapia et al., " Achieving visible light-driven hydrogen evolution at positive bias with a hybrid copper–iron oxide|TiO2-cobaloxime photocathode" – Green chemistry, issue10, 2020
  4. Communiqué du CEA publié le 13 août 2020, basé sur une publication de Jully Patel et al., "Visible Light-Driven Simultaneous Water Oxidation and Quinone Reduction by Nano-Structured Conjugated Polymer Without Cocatalysts ". Chem.Sci., issue 28, 2020. 
  5. Tran Ngoc Huan et al.,Low-cost high-efficiency system for solar-driven conversion of CO 2 to hydrocarbons . Proc Natl Acad Sci ., 2019 May 14;116(20):9735-9740.
  6. Prerovskite : sructure moléculaire particulière comparable à celle du titanate de calcium découverte en 1839 par le minéralogiste russe L. A. Perovski. Les cellules photovolataiques à structure de perovskite peuvent être aujourd'hui fabriquées avec des hybrides organométalliques à base de métaux courant : plomb, fer, etc.

Le bâtiment va-t-il recycler 100 millions de tonnes de plastique ?

Une startup américaine révolutionne le bâtiment avec un nouveau matériau produit à partir de plastique recyclé. L'objectif affiché est de recycler et de valoriser 100 millions de tonnes de plastiques d'ici 2030.

Le procédé mis au point par la société Byfusion est  simple mais terriblement efficace. Les déchets plastiques sont déchiquetés puis surchauffés et compactés pour en faire des blocs plus solides et plus inaltérable que le béton, baptisés "Byblocks". Le procédé ne requiert aucun agent chimique, ni additif ou adhésif.

Ce nouveau matériau de construction présente de nombreux avantages, pour l'environnement et pour l'économie.
Non seulement il élimine et valorise les montagnes de plastiques qui polluent nos terres et nos océans mais il élimine le béton  qui est une des sources majeures des émission de CO2 dans les cimenteries et évite la disparition des plages dont le sable sert à la fabrication du béton.

Les Byblocks sont deux fois moins chers que des parpaings ou tout autre structure de béton. Ils seraient également trois fois plus facile et plus rapide à mettre en oeuvre, plus isolants, plus résistants aux intempéries et à l'usure du temps d'après les premières analyses.

source: www.byfusion.com/byblock/

 

La relance de la conquête spatiale

L'espace va devenir le principal moteur de l'économie de demain. Les cycles longs dits de Kondratiev rythment l’économie. Après le numérique et les nouvelles technologies de communication et d’information (NTIC), le spatial va prendre le relai d’ici 2050.

Les robots seront partout

A partir des années 2040, les robots seront partout, dans la sphère professionnelle comme dans la vie domestique. Le bonheur de l’homme ne se trouvera cependant pas dans une sortie de l’humanité.[

 

Bientôt des poissons dans l’espace pour survivre sur la lune

Le Centre spatial universitaire de Montpellier et l’Ifremer préparent l’autonomie alimentaire de l’homme sur la lune, puis sur Mars. Leur projet LAUVE expérimente l’envoi dans l’espace, par nanosatellite, d’œufs fécondés de poissons. Un nanosatellite devrait être mis en orbite en 2021.

 

Envoyer des œufs de poissons fécondés sur la lune, pour y développer une aquaculture permettant aux astronautes de produire eux-mêmes leur nourriture ? C’est l’expérimentation menée depuis début 2019 par le Centre spatial universitaire de Montpellier (CSUM), spécialiste des nanosatellites, et l’Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer (Ifremer) à Palavas-les-Flots. "Outre des protéines, des lipides, des vitamines et une grande variété d’espèces et de goûts, les poissons amènent des éléments indispensables comme les oméga 3 que l’homme ne produit pas seul" résume Muriel Bernard, directrice qualité et valorisation au CSUM. LAUVE est la première étape d’un projet plus global, Lunar Hatch, destiné à préparer l’installation au long cours d’humains sur la lune, voire sur Mars. Maxime Nicloux, jeune ingénieur stagiaire du CSUM en charge du support projets nanosatellites, précise : « La première expédition lunaire pourrait avoir lieu en 2030. » Cette expérimentation est une première mondiale menée sur un animal aquatique. Jusque-là, seules des productions végétales (tomates, salades ou pommes de terre) ont été expérimentées par la Nasa et l’ESA.

Yujia Liu, venue de Chine faire son doctorat à l'école de chimie de Montpellier, devient professeur au Japon

Voici le témoignage de Yujia Liu, qui est venue de Chine pour faire ses études en France. Dans cette vidéo réalisée par la Société Chimique de France, elle nous raconte sa thèse de doctorat en catalyse organométallique au Laboratoire d'Architectures Moléculaires et Matériaux Nanostructurés (AM2N) à l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM) en vue de remplacer les métaux toxiques par des métaux plus abondants et plus respectueux de l'environnement.
Aujourd'hui, après avoir obtenu son doctorat en chimie organique de l'ENSCM, elle est devenue Professeur à l'Université Gunma au Japon.

La pêche industrielle affame les oiseaux marins

L’intensification de la pêche industrielle contribue à diminuer la quantité de nourriture disponible pour les oiseaux marins, menaçant de nombreuses espèces dans le monde. Des chercheurs du Centre d’écologie fonctionnelle et évolutive du CNRS à Montpellier, de l’Université de Colombie Britannique (Canada) et de l’Université d’Aberdeen (Ecosse) ont cartographié pour la première fois, la compétition entre la pêche industrielle et les oiseaux marins à travers le monde entre 1970 et 2010. Selon leur étude, la consommation moyenne annuelle de nourriture des oiseaux a diminué de 70 à 57 millions de tonnes entre les périodes 1970-1989 et 1990-2010, tandis que la capture annuelle moyenne des proies des oiseaux par les pêcheries a augmenté de 59 à 65 millions de tonnes au cours des mêmes périodes.


Fous de Bassan (crédit photo : Jacques Carles)

Malgré le net déclin de la communauté mondiale des oiseaux marins pendant la période 1970-2010, la pression de compétition exercée par les pêcheries demeure soutenue. Cette compétition a même augmenté dans près de la moitié des océans du monde. L’étude est publiée le 6 décembre 2018 dans la revue Current Biology.

Graphique représentant le déclin de la communauté d’oiseaux marins et l’intensification de la pêche industrielle, 
dans le monde au cours de la période 1970-2010. (source : Current Biology)

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(1) Grémillet et al., Persisting Worldwide Seabird-Fishery Competition Despite Seabird Community Decline, Current Biology (2018),https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.10.051