Un indice de bronzage ? Le potentiel d'une nouvelle technologie pour "emprisonner l'énergie solaire" dans des molécules

La faiblesse de l'énergie solaire est d'une simplicité déconcertante : sans soleil, pas d'électricité. Pour utiliser l'énergie produite pendant la journée la nuit, il faut des batteries de stockage, un réseau de distribution, ou un autre système de stockage. Plus on cherche à faire des énergies renouvelables le pilier de la société, plus ce problème de "stockage" devient crucial.

Mais que se passerait-il si l'énergie solaire pouvait être emprisonnée directement dans des molécules, au lieu d'être convertie en électricité ? Et si ces molécules pouvaient libérer de la chaleur au moment voulu, pour faire bouillir de l'eau, chauffer une pièce, ou gérer la température de machines ?

Une telle recherche, digne de la science-fiction, est en cours à l'Université de Californie à Santa Barbara. L'inspiration est venue de manière inattendue : le bronzage.

La chimiste Grace Han a été surprise par l'intensité du soleil lors d'une visite en Californie du Sud depuis Boston. En restant quelques heures à l'extérieur, sa peau a été irritée. Cette expérience a éveillé son intérêt pour les réactions photochimiques de l'ADN. Le bronzage est un phénomène où l'ADN dans les cellules de la peau est endommagé par les rayons ultraviolets. Les molécules constituant l'ADN changent de forme sous l'effet de la lumière, se déformant.

Cette propriété de "changer de forme sous l'effet de la lumière" a donné une piste pour le stockage d'énergie.

Dans le domaine du stockage d'énergie solaire moléculaire thermique, abrégé MOST, on utilise des molécules qui changent de structure sous l'effet de la lumière et se stabilisent dans un état à haute énergie. Lorsque les molécules retrouvent leur structure initiale, l'énergie de différence est libérée sous forme de chaleur. C'est un peu comme enrouler un minuscule ressort avec la lumière du soleil et le dérouler pour récupérer la chaleur quand on en a besoin.

La technologie solaire traditionnelle convertit la lumière en électricité. En revanche, le MOST stocke la lumière sous forme d'énergie chimique et la restitue sous forme de chaleur. Cela diffère des batteries lithium-ion qui stockent l'électricité. Cette technologie est plus adaptée aux situations nécessitant de la "chaleur" comme le chauffage, l'eau chaude, le chauffage industriel, la prévention de la condensation, et la gestion de la température, plutôt qu'à alimenter des smartphones ou des véhicules électriques.

L'attention se porte actuellement sur une molécule de type pyrimidone développée par l'équipe de recherche de Han. Inspirée par la structure de l'ADN, cette molécule change de forme en un état à haute énergie sous l'effet des rayons ultraviolets et conserve cet état. Lorsqu'elle est stimulée, elle revient à sa forme initiale et libère l'énergie stockée sous forme de chaleur.

L'équipe de recherche a rapporté que cette molécule a montré une densité énergétique élevée de 1,65 mégajoules par kilogramme. C'est une valeur très élevée dans le domaine du MOST, surpassant la densité énergétique par masse des batteries lithium-ion conventionnelles. De plus, des expériences ont confirmé que la chaleur libérée était suffisante pour faire bouillir rapidement de l'eau dans un petit récipient.

Ce qui est intéressant dans ce résultat, ce n'est pas seulement la "haute densité énergétique". C'est la possibilité de stocker l'énergie solaire à long terme et de pouvoir extraire directement la chaleur qui est crucial.

Quand on pense aux problèmes énergétiques, beaucoup imaginent l'électricité. Les mots comme centrales électriques, réseaux de distribution, batteries de stockage, véhicules électriques, et réseaux intelligents viennent à l'esprit. Cependant, la "chaleur" représente une part très importante de la demande énergétique mondiale. Le chauffage résidentiel, l'eau chaude, la transformation alimentaire, l'industrie chimique, les processus de séchage, et le chauffage dans la fabrication nécessitent une énorme quantité de chaleur. Et beaucoup de cette chaleur dépend encore de la combustion de combustibles fossiles.

Ainsi, le défi de la décarbonisation ne réside pas seulement dans la "production d'électricité". "Comment produire de la chaleur" et "comment la stocker" sont également de grands défis.

Si la technologie MOST est commercialisée, elle pourrait être utilisée pour "charger" les molécules avec la lumière solaire pendant la journée et extraire la chaleur la nuit ou par temps nuageux. On pourrait exposer un liquide à la lumière solaire sur le toit, le stocker dans un réservoir, et l'utiliser pour l'eau chaude ou le chauffage quand nécessaire. Ou l'utiliser comme un revêtement transparent sur les fenêtres dans les régions froides pour prévenir la condensation. Il y a aussi un potentiel d'application pour la gestion de la température des petits satellites ou des avions, ou comme source de chaleur dans des environnements hors réseau.

Cependant, il est prématuré de considérer cette technologie comme une "révolution qui remplacera immédiatement le chauffage domestique". Dans l'article original, plusieurs chercheurs expriment une vue prudente.

L'un des plus grands défis est la longueur d'onde de la lumière nécessaire pour faire changer les molécules. Le système actuel repose principalement sur les rayons ultraviolets forts autour de 300 nanomètres. Bien que la lumière solaire atteignant la surface terrestre contienne des rayons ultraviolets, leur quantité est limitée. Pour la commercialisation, il est nécessaire de rendre le système plus réactif à la lumière naturelle ou de le faire fonctionner efficacement à des longueurs d'onde plus proches de la lumière visible.

Un autre défi est le déclencheur pour libérer l'énergie stockée. Dans l'expérience actuelle, de l'acide chlorhydrique a été utilisé. L'acide chlorhydrique est corrosif, nécessitant une manipulation et un traitement de neutralisation. Pour une utilisation généralisée dans les foyers, les bâtiments, et les installations industrielles, des catalyseurs ou des stimuli thermiques plus sûrs et plus faciles à manipuler, ou une combinaison avec des matériaux solides, sont nécessaires.

De plus, lorsqu'il est utilisé sous forme liquide, il est nécessaire de pomper le fluide. Si des collecteurs solaires, des tuyaux, des réservoirs, des échangeurs de chaleur, et des sections de réaction catalytique sont nécessaires, le coût total du système et le risque de défaillance augmentent. Même si la performance des molécules individuelles est excellente, dans la mise en œuvre sociale, l'efficacité, le prix, la durée de vie, la sécurité, et la maintenance de l'ensemble de l'appareil sont en question.

En outre, si les molécules absorbant la lumière sont trop épaisses, la lumière ne peut pas atteindre l'intérieur. L'épaisseur de la couche de liquide, la surface nécessaire, et la quantité de chaleur pouvant être stockée sont également des points de discussion importants. Pour chauffer une maison entière, il pourrait être nécessaire d'avoir une grande quantité de matériaux, une large surface de réception de la lumière, et un équipement de circulation stable.

Néanmoins, cette recherche a une grande signification. Car le MOST propose une route alternative à la pensée existante de "convertir la lumière solaire en électricité puis la stocker dans des batteries", en "utilisant la lumière solaire sous forme de chaleur et en la stockant directement dans la forme des molécules".

Sur les réseaux sociaux, cette recherche suscite des réactions mêlant attentes et critiques.

Dans les communautés scientifiques et technologiques du futur sur Reddit, certains soulignent l'importance de la demande de chaleur. La décarbonisation du chauffage et de l'eau chaude est souvent négligée, mais c'est un domaine crucial pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. D'un autre côté, des commentaires réalistes sont postés, tels que "si vous voulez stocker de la chaleur, il existe déjà des technologies de stockage thermique comme les batteries de sable", "la miniaturisation facilite la perte de chaleur", et "il y a aussi une demande pour la climatisation". Les réactions sur les réseaux sociaux ne sont donc pas seulement des louanges, mais s'orientent vers une perspective de mise en œuvre : "c'est intéressant, mais où est-ce le plus optimal à utiliser ?"

Sur LinkedIn, les réactions plus spécialisées se remarquent, principalement parmi les utilisateurs proches de la recherche ou de l'industrie énergétique. Certains posts évaluent positivement le fait que les molécules peuvent stocker la lumière solaire sous forme de liaisons chimiques et la libérer sous forme de chaleur au besoin, comme une "technologie complémentaire prometteuse pour le stockage thermique à long terme". Cependant, il est également noté que le système dépend actuellement principalement des rayons ultraviolets, que l'économie d'échelle n'est pas encore visible, et qu'il n'est pas encore clair si cela peut être utilisé pour le stockage à long terme au niveau du réseau de distribution.

Cette perception est assez raisonnable. Bien que les résultats de la recherche soient révolutionnaires, ce n'est pas un produit qui changera immédiatement le marché. Il faut plutôt le voir comme un point de départ pour la conception de matériaux et l'ingénierie des systèmes futurs.

Il est particulièrement notable que les chercheurs s'intéressent également à des directions telles que la "solidification" et "l'application aux fenêtres". Le système de circulation de liquide par tuyauterie facilite le transfert de chaleur, mais pose des problèmes tels que les fuites, les pannes de pompe, la corrosion, et la maintenance. Si les molécules peuvent être intégrées dans des matériaux solides ou des revêtements transparents, des applications plus simples pourraient être possibles.

Par exemple, les vitres pourraient recevoir la lumière solaire pendant la journée pour mettre les molécules dans un état à haute énergie, et libérer lentement la chaleur la nuit ou par temps froid. Ou être utilisées comme un film mince pour prévenir la condensation dans les régions froides. Même si cela ne chauffe pas tout un bâtiment, cela pourrait être utile pour le contrôle thermique localisé.

Dans des domaines comme les satellites ou les avions, où la gestion de la température est cruciale et où le poids des combustibles ou des batteries est une contrainte, des applications sont également envisageables. Si l'on souhaite maintenir une certaine température pour des composants spécifiques, des matériaux capables de stocker la chaleur au niveau moléculaire et de la libérer au besoin sont attrayants. Il est possible que la commercialisation commence par des applications petites et à haute valeur ajoutée plutôt que par des usages à grande échelle comme le chauffage résidentiel.

Ce qui rend cette recherche intéressante, c'est qu'elle transforme un phénomène apparemment indésirable de la nature en une source d'inspiration technologique. Le bronzage est un dommage que l'on cherche à éviter. L'endommagement de l'ADN par les rayons ultraviolets est un risque pour la santé. Cependant, en examinant de près le phénomène de changement de forme des molécules, on découvre un mécanisme pour capter l'énergie lumineuse sous forme de changement structurel. Cette idée de détourner les réactions photochimiques que la vie a affrontées pendant longtemps vers la technologie énergétique est présente ici.

Cependant, il ne faut pas se méprendre en pensant que cette technologie "utilise le bronzage". Il ne s'agit pas d'utiliser la peau humaine ou l'ADN pour le stockage d'énergie. Il s'agit plutôt de s'inspirer du mécanisme de changement structurel de l'ADN sous l'effet de la lumière pour concevoir des molécules artificielles.

Il y a trois grands points d'attention pour l'avenir.

Premièrement, quelles longueurs d'onde de la lumière solaire peuvent être utilisées et dans quelle mesure. Si l'on peut utiliser non seulement les ultraviolets mais aussi la lumière visible, qui est plus abondante, la praticité augmentera considérablement.

Deuxièmement, le développement d'un déclencheur de dissipation de chaleur sûr. Si l'on peut libérer la chaleur de manière stable avec des substances chimiques moins contraignantes que l'acide chlorhydrique, comme la chaleur à basse température, la lumière, un catalyseur solide, ou une stimulation électrochimique, le champ d'application s'élargira.

Troisièmement, le coût total incluant les matériaux et les dispositifs. Le coût de synthèse des molécules, la dégradation lors des utilisations répétées, les pertes de chaleur, la durée de vie des dispositifs, la maintenance, et l'impact environnemental seront comparés avec les pompes à chaleur existantes, les chauffe-eau solaires, les matériaux de stockage thermique, les batteries de sable, et les batteries de stockage.

L'histoire des technologies énergétiques montre que les technologies qui affichent de bons chiffres en laboratoire ne changent pas nécessairement la société. Au contraire, dans le processus de mise en œuvre sociale, des problèmes banals apparaissent les uns après les autres. Les tuyaux se bouchent, les matériaux sont coûteux, les catalyseurs se dégradent, les normes de sécurité ne sont pas respectées, la maintenance est trop complexe —. Pour qu'une belle réaction chimique devienne une industrie, il faut surmonter ces obstacles.

Néanmoins, cette recherche a ajouté une nouvelle option à la question de "comment stocker l'énergie solaire". Les panneaux solaires et les batteries lithium-ion ne sont pas le seul avenir. Dans certaines situations, il est plus efficace de stocker la chaleur sous forme de chaleur. Dans les bâtiments, les usines, les véhicules, les équipements spatiaux, et d'autres lieux où la chaleur est nécessaire plutôt que l'électricité, le stockage solaire thermique moléculaire pourrait avoir une valeur unique.

Lorsque les molécules changent de forme sous l'effet de la lumière solaire, elles emprisonnent l'énergie dans cette forme. En revenant à leur forme initiale, elles libèrent la chaleur. Bien que cela semble simple en mots, sa réalisation nécessite une chimie organique avancée, une chimie computationnelle, une science des matériaux, et une ingénierie thermique.

Peut-être que le bronzage, un phénomène familier et un peu ennuyeux, pourrait donner naissance au stockage d'énergie du futur. La recherche en est encore à ses débuts, mais voir le soleil non seulement comme une source de "production d'électricité", mais aussi comme quelque chose à "stocker dans des molécules", élargit le potentiel des énergies renouvelables.

On ne sait pas encore si cette technologie prendra en charge le chauffage domestique, deviendra une source de chaleur pour les usines, un film mince pour les fenêtres, ou commencera par des applications de niche comme la gestion de la température des satellites. Mais au moins, l'idée de ne pas laisser la lumière du soleil être une bénédiction éphémère et de la stocker dans des molécules jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire est suffisamment stimulante pour envisager l'avenir du stockage d'énergie.

Source URL

BBC / AOL publié "How sunburn inspired a new way to store energy"
Article original. Références aux idées de Grace Han, au bronzage et à la photochimie de l'ADN, à l'aperçu de la technologie MOST, aux possibilités et aux défis de la recherche, aux commentaires des chercheurs externes.
https://www.aol.com/articles/sunburn-inspired-way-store-energy-230314720.html

UC Santa Barbara "UCSB scientists bottle the sun with liquid battery"
Annonce par l'institution de recherche. Molécule de pyrimidone, MOST, densité énergétique supérieure à 1,6 MJ/kg, démonstration de l'ébullition de l'eau, confirmation des possibilités pour l'eau chaude résidentielle et les applications hors réseau.
https://news.ucsb.edu/2026/022384/ucsb-scientists-bottle-sun-liquid-battery

Science "Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg"
Article évalué par des pairs. Informations primaires sur la recherche, y compris la densité énergétique de 1,65 MJ/kg du système MOST utilisant Dew