Comment la récolte d'énergie à partir de l'air humide pourrait un jour alimenter nos appareils

Le célèbre physicien Nikola Tesla voulait obtenir de l'électricité à partir de l'humidité de l'air, en exploitant les processus qui se déroulent dans les nuages d'orage : des décennies après sa mort, cette idée pourrait enfin se concrétiser.

Personne dans le laboratoire ne pouvait croire ce qu'il voyait. Un dispositif expérimental, un capteur d'humidité, avait commencé à générer des signaux électriques. Très bien, pensez-vous, mais cela n'aurait pas dû être possible.

"Pour une raison quelconque, l'étudiant qui travaillait sur l'appareil a oublié de brancher le courant", explique Jun Yao, de l'université du Massachusetts Amherst. "C'est le début de l'histoire.

Depuis ce moment, il y a cinq ans, Jun Yao et ses collègues ont mis au point une technologie capable de produire de l'électricité à partir d'air humide : un concept connu sous le nom d'hygroélectricité.

L'idée existe depuis de nombreuses années. Nikola Tesla et d'autres l'ont étudiée dans le passé, mais n'ont jamais obtenu de résultats prometteurs. Toutefois, la situation pourrait bien être sur le point de changer.

De nombreux groupes de recherche à travers le monde découvrent de nouvelles façons de tirer de l'électricité des molécules d'eau qui flottent naturellement dans l'air. Cela est possible parce que ces molécules d'eau peuvent transférer de minuscules charges électriques entre elles - un processus que les chercheurs tentent de contrôler. La difficulté consiste à capter suffisamment d'électricité pour qu'elle soit utilisable. Mais les scientifiques pensent aujourd'hui qu'ils pourraient en récolter suffisamment pour alimenter des ordinateurs miniatures ou des capteurs.

Elle soulève la perspective alléchante d'une nouvelle forme d'énergie renouvelable qui pourrait flotter tout autour de nous, pratiquement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

En 2020, Yao et ses collègues ont publié un article scientifique décrivant comment de minuscules nanofils de protéines, produits par une bactérie, pouvaient capter l'électricité de l'air. Le mécanisme exact est encore à l'étude, mais les minuscules pores du matériau semblent capables de piéger les molécules d'eau flottantes. En se frottant au matériau, les molécules d'eau semblent lui conférer une charge.

M. Yao explique que, dans un tel système, la plupart des molécules restent près de la surface et déposent beaucoup de charge électrique, tandis que quelques autres pénètrent plus profondément. Il en résulte une différence de charge entre les parties supérieure et inférieure de la couche de matériau.

"Au fil du temps, on constate une séparation des charges", explique M. Yao. "C'est en fait ce qui se passe dans un nuage. À une échelle beaucoup plus grande et spectaculaire, les nuages d'orage créent également une accumulation de charges électriques opposées qui finissent par se décharger sous forme d'éclairs.

Cela signifie qu'en influençant le mouvement des molécules d'eau et en créant les conditions idéales pour la séparation des charges, il est possible de produire de l'électricité. "Le dispositif peut fonctionner littéralement n'importe où sur Terre", explique M. Yao.

L'article de 2020 s'est avéré être la partie émergée de l'iceberg.

M. Yao et ses collègues ont publié une étude complémentaire en mai 2023, dans laquelle ils ont créé le même type de structure, remplie de nanopores, mais en utilisant une variété de matériaux différents - des flocons d'oxyde de graphène et des polymères aux nanofibres de cellulose dérivées du bois. Ils ont tous fonctionné, avec quelques petites différences. Cela suggère que c'est la structure qui importe, plutôt que le matériau lui-même.

Dans les expériences menées jusqu'à présent, des dispositifs plus fins qu'un cheveu humain ont généré de très petites quantités d'électricité, équivalant à une fraction de volt. Selon M. Yao, il suffirait de fabriquer davantage de matériaux ou d'en relier des morceaux pour obtenir des charges utiles de plusieurs volts et plus. Le matériau pourrait même être fabriqué à partir d'un liquide qui pourrait être pulvérisé sur des surfaces pour fournir une source d'énergie instantanée, suggère-t-il.

"Je pense que c'est vraiment passionnant", déclare Reshma Rao, ingénieur en matériaux à l'Imperial College London (Royaume-Uni), qui n'a pas participé à l'étude. "Il y a une grande flexibilité dans le type de matériaux que l'on peut utiliser".

Néanmoins, il n'est peut-être pas réaliste d'imaginer qu'une telle technologie puisse alimenter des bâtiments entiers ou des machines gourmandes en énergie comme les voitures, prévient M. Rao. L'humidité pourrait suffire à alimenter des appareils de l'internet des objets, tels que des capteurs, ou de petits appareils électroniques portables.

Toute personne cherchant à commercialiser une telle technologie devra prouver qu'elle produit suffisamment d'énergie et qu'elle est compétitive en termes de coûts par rapport aux autres sources d'énergie renouvelables.

L'équipe de Yao est loin d'être la seule à étudier l'air humide en tant que ressource énergétique potentielle. En 2020, un groupe israélien a réussi à produire de l'électricité en faisant passer de l'air humide entre deux pièces de métal. L'air humide a induit une charge dans le métal lorsqu'il a circulé dessus.

Ce phénomène a été observé pour la première fois en 1840, lorsqu'un conducteur de train travaillant dans une mine de charbon au nord de Newcastle, dans le nord-est de l'Angleterre, a ressenti d'étranges picotements dans la main alors qu'il actionnait la locomotive. Plus tard, il a remarqué qu'une minuscule étincelle sautait entre son doigt et l'un des leviers du véhicule. Les scientifiques qui ont enquêté sur l'incident ont conclu que le frottement de la vapeur sur le métal de la chaudière du moteur avait provoqué l'accumulation d'une charge.

Colin Price, chercheur en sciences de l'atmosphère à l'université de Tel Aviv en Israël et coauteur de l'article de 2020, explique que les charges générées lors d'expériences en laboratoire avec de petits morceaux de métal étaient très faibles. Il ajoute toutefois que lui et ses collègues travaillent à l'amélioration de leur système. L'une des limites de ce système pourrait être qu'il nécessite une humidité relative de 60 % ou plus, alors que les dispositifs de Yao et de ses collègues commencent à produire de l'électricité à partir d'une humidité relative d'environ 20 %.

Parallèlement, une équipe portugaise travaille sur un projet financé par l'Union européenne appelé CATCHER, qui vise également à exploiter l'air humide comme source d'énergie. Svitlana Lyubchyk, scientifique spécialiste des matériaux à l'université de Lusófona à Lisbonne, au Portugal, coordonne le projet et a cofondé une entreprise appelée CascataChuva.

"Je pense que le prototype technique sera prêt d'ici la fin de l'année, plus ou moins", déclare Mme Lyubchyk, tandis que son fils Andriy Lyubchyk, qui est également cofondateur de l'entreprise, présente une vidéo d'une petite lumière LED qui s'allume et s'éteint. Il présente un disque gris d'environ 4 cm de diamètre, fait d'oxyde de zirconium, expliquant que ce matériau peut piéger les molécules d'eau de l'air humide et les forcer à circuler dans de minuscules canaux. Il explique que ce matériau peut retenir les molécules d'eau de l'air humide et les forcer à circuler dans de minuscules canaux, ce qui génère une charge électrique, suffisante pour fournir environ 1,5 volt avec un seul disque. Deux disques seulement suffisent à alimenter la DEL, affirme-t-il, ajoutant qu'il serait possible d'enchaîner beaucoup plus de morceaux de ce matériau pour obtenir une puissance encore plus élevée.

Toutefois, si certaines informations sur les travaux sont disponibles en ligne, les détails complets concernant les dernières expériences de l'équipe n'ont pas encore été publiés ou examinés par des pairs. Le groupe a également refusé de partager des documents montrant comment les disques sont connectés à la LED pour l'alimenter.