Un petit appareil qui utilise du sel pour générer de l'énergie propre

Source : stock_colors/iStock

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Un nouvel appareil plus petit qu’un cheveu humain peut produire de l’électricité à partir de la différence de salinité entre l’eau de mer et l’eau douce. Cela pourrait constituer une nouvelle source d’énergie propre le long des côtes du monde.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a rapporté dans la revue Nano Energy la conception d'un dispositif capable de convertir le flux d'ions de sel en énergie électrique. Le dispositif est constitué de matériaux semi-conducteurs à l’échelle nanométrique et fonctionne en utilisant un phénomène appelé « traînée de Coulomb ». L’équipe pense que leur appareil pourrait être utilisé pour récupérer l’énergie des gradients naturels de sel aux limites de l’eau de mer et de l’eau douce.

Le chef du projet, Jean-Pierre Leburton, professeur de génie électrique et informatique, a déclaré que leur conception était encore un concept à ce stade, mais qu'elle était très polyvalente et montrait un grand potentiel pour les applications énergétiques. Il a déclaré qu'ils avaient commencé par une question académique : « Un dispositif à l'état solide à l'échelle nanométrique peut-il extraire l'énergie du flux ionique ? » – mais leur design les a surpris à bien des égards.

Lorsque l’eau de mer et l’eau douce se rencontrent, comme à l’embouchure d’une rivière, les molécules de sel passent naturellement d’une concentration plus élevée à une concentration plus faible. Ce mouvement peut être utilisé pour générer de l’électricité car les molécules de sel sont constituées de particules chargées électriquement appelées ions.

Crédits : Le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Le groupe de Leburton a conçu un dispositif doté d'un canal étroit par lequel circulent les ions. Les forces électriques entre les ions et les charges dans l’appareil provoquent le déplacement des charges d’un côté à l’autre, créant une tension et un courant électrique.

L'auteur principal de l'étude, Mingye Xiong, un étudiant diplômé du groupe de Leburton, a déclaré avoir découvert deux comportements inattendus lorsqu'ils ont simulé leur appareil. Il a déclaré qu'ils avaient constaté que l'appareil fonctionnait aussi bien que les forces électriques soient attractives ou répulsives. Il a également déclaré que les ions positifs et négatifs contribuaient à la traînée.

Xiong a également déclaré qu'il y avait un effet d'amplification. Il a expliqué que les ions étaient beaucoup plus lourds que les charges contenues dans l'appareil, et qu'ils transféraient donc beaucoup d'impulsion aux charges, augmentant ainsi le courant sous-jacent.

Les chercheurs ont également constaté que ces effets ne dépendaient pas de la forme spécifique du canal ni du choix des matériaux, pour autant que le canal soit suffisamment étroit pour assurer la proximité entre les ions et les charges.

Les chercheurs sont en train de breveter leurs découvertes et étudient combien d’appareils peuvent être connectés pour produire plus d’énergie.

Leburton a déclaré qu'il pensait que la densité de puissance d'un réseau de dispositifs pourrait égaler ou dépasser celle des cellules solaires. Il a également mentionné les applications potentielles dans d'autres domaines comme la détection biomédicale et la nanofluidique.

L'étude a été publiée dans la revue Nano Energy

L'apparition d'un courant électronique dans une membrane de silicium dopée induite par l'interaction coulombienne à longue portée d'ions circulant à travers un canal nanofluidique est établie par une approche informatique et analytique combinée basée sur la technique des fonctions de Green et le formalisme de transport de Boltzmann. Caractérisé par une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit, le frein électronique de Coulomb offre un nouveau paradigme pour la récupération d'énergie. De plus, notre modèle prédit une amplification actuelle du courant de traînée ionique en raison du transfert important de quantité de mouvement des ions lourds vers les porteurs de charge dans le silicium, ce qui est obtenu pour les anions et les cations circulant dans le nanocanal, quel que soit le type de dopant dans le semi-conducteur. L'analyse indique la polyvalence de cet effet en fonction de la nature de l'électrolyte et des matériaux semi-conducteurs, permettant un réglage approprié de leurs structures et configurations de conception.