Vers un monde équitable et durable

Les chercheurs ont présenté leur nouvelle méthode pour collecter un courant électrique directement à partir de macroalgues (algues) dans la revue Biosensors and Bioelectronics. L'article décrit les résultats obtenus par les chercheurs de la Faculté de chimie Schulich, de la Faculté de biologie, de la Faculté de biotechnologie et de génie alimentaire, du GTEP et de l'IOLR.

L'utilisation de combustibles fossiles entraîne l'émission de gaz à effet de serre et d'autres composés polluants. Ces derniers se sont avérés être liés au changement climatique, comme en témoignent divers phénomènes terrestres qui ont placé la question du changement climatique au premier plan des préoccupations mondiales. La pollution due à l'utilisation de ces combustibles commence dès leur extraction et leur transport autour du globe, pour être utilisés dans des centrales électriques et des raffineries centralisées.

Ces problèmes sont à l'origine de la recherche de méthodes pour trouver des sources d'énergie alternatives, propres et renouvelables. L'une d'entre elles est l'utilisation d'organismes vivants comme source de courant électrique dans les piles à combustible microbiennes (PCM). Certaines bactéries ont la capacité de transférer des électrons à des cellules électrochimiques pour produire du courant électrique. Les bactéries doivent être constamment nourries et certaines d'entre elles sont pathogènes.

Une technologie similaire est celle des cellules bio-photoélectrochimiques (BPEC). Comme pour la MFC, la source d'électrons peut provenir de bactéries photosynthétiques, notamment de cyanobactéries (également appelées algues bleues).  Les cyanobactéries fabriquent leur propre nourriture à partir du dioxyde de carbone, de l'eau et de la lumière du soleil, et dans la plupart des cas, elles sont inoffensives. En fait, certaines cyanobactéries, comme la spiruline, sont considérées comme des "super aliments" et sont cultivées en grandes quantités. Les groupes de recherche des Professeurs Adir et Schuster ont déjà mis au point des technologies qui utilisent les cyanobactéries pour obtenir du courant électrique et de l'hydrogène, comme cela a été publié dans Nature Communications et Science. Les cyanobactéries présentent toutefois quelques inconvénients. Les cyanobactéries produisent moins de courant dans l'obscurité, car elles ne réalisent pas de photosynthèse. En outre, la quantité de courant obtenue reste inférieure à celle obtenue par les technologies de cellules solaires, de sorte que, bien que plus respectueuse de l'environnement, la BPEC est moins intéressante sur le plan commercial.

Dans la présente étude, les chercheurs du Technion et de l'IOLR ont essayé de résoudre ce problème en utilisant une nouvelle source photosynthétique pour le courant - les algues marines (macroalgues). La recherche a été menée par le professeur Noam Adir et le doctorant Yaniv Shlosberg, de la faculté de chimie Schulich et du GTEP. Ils ont collaboré avec d'autres chercheurs du Technion : Tunde Toth (Faculté de chimie Schulich), le professeur Gadi Schuster, les docteurs David Meiri, Nimrod Krupnik et Benjamin Eichenbaum (Faculté de biologie), les docteurs Omer Yehezkeli et Matan Meirovich (Faculté de biotechnologie et d'ingénierie alimentaire) et le docteur Alvaro Israel de l'IOLR à Haïfa. De nombreuses espèces d'algues poussent naturellement sur le littoral méditerranéen d'Israël, notamment l'Ulva (également connue sous le nom de "laitue de mer") qui est cultivée en grande quantité à l'IOLR à des fins de recherche.

Après avoir mis au point de nouvelles méthodes de connexion entre l'Ulva et le BPEC, des courants 1000 fois supérieurs à ceux des cyanobactéries ont été obtenus - des courants qui sont au niveau de ceux obtenus avec des cellules solaires standard. Le professeur Adir note que ces courants accrus sont dus au taux élevé de photosynthèse des algues, et à la possibilité d'utiliser les algues dans leur eau de mer naturelle comme électrolyte du BPEC - la solution qui favorise le transfert d'électrons dans le BPEC. En outre, les algues fournissent des courants dans l'obscurité, environ 50 % de ceux obtenus à la lumière. La source du courant dans l'obscurité provient de la respiration - où les sucres produits par le processus photosynthétique sont utilisés comme source interne de nutriments. De manière similaire à la BOEC des cyanobactéries, aucun produit chimique supplémentaire n'est nécessaire pour obtenir le courant. Les Ulva produisent des molécules médiatrices de transfert d'électrons qui sont sécrétées par les cellules et transfèrent les électrons à l'électrode BPEC.

Les technologies de production d'énergie à base de combustibles fossiles sont dites "positives en carbone". Cela signifie que le processus libère du carbone dans l'atmosphère pendant la combustion du combustible. Les technologies des cellules solaires sont dites "neutres en carbone", car elles ne rejettent pas de carbone dans l'atmosphère. Cependant, la production des cellules solaires et leur transport jusqu'au site d'utilisation sont beaucoup plus "positifs en carbone". La nouvelle technologie présentée ici est "négative en carbone". Les algues absorbent le carbone de l'atmosphère pendant la journée tout en se développant et en libérant de l'oxygène. Lors de la récolte des courants pendant la journée, aucun carbone n'est libéré. Pendant la nuit, l'algue libère la quantité normale de carbone provenant de la respiration. En outre, les algues, en particulier l'Ulva, sont cultivées pour diverses industries : alimentation (l'Ulva est également considérée comme un super aliment), cosmétiques et pharmacie.

"On se demande d'où viennent les idées scientifiques", déclare Yaniv Shlosberg, l'étudiant diplômé qui a pensé pour la première fois à la possibilité d'utiliser les algues. "Le célèbre philosophe Archimède a eu une idée géniale dans sa baignoire, qui a conduit au "principe d'Archimède". J'ai eu cette idée un jour où je suis allé à la plage. À l'époque, j'étudiais la cyanobactérie BPEC, lorsque j'ai remarqué sur un rocher des algues qui ressemblaient à des cordons électriques. Je me suis dit : "Puisqu'elles font aussi de la photosynthèse, peut-être pouvons-nous les utiliser pour produire des courants". C'est de cette idée qu'est née la collaboration de tous les chercheurs du Technion et de l'IOLR, qui a abouti à notre article le plus récent. Je crois que notre idée peut conduire à une véritable révolution dans la production d'énergie propre".

Les chercheurs du Technion/IOLR ont construit un prototype de dispositif qui recueille le courant directement dans la cuve de croissance d'Ulva. Le professeur Adir ajoute : "En présentant notre dispositif prototype, nous montrons que des courants importants peuvent être récoltés à partir des algues. Nous pensons que cette technologie peut être encore améliorée et déboucher sur de futures technologies d'énergie verte".

Cliquez ici pour consulter l'article paru dans Biosensors and Bioelectronics.