Les microbes dans le sol : une source inépuisable d'énergie pour les piles et les batteries ?

En exploitant l'énergie des microbes dans le sol pour générer de l'électricité, les chercheurs de l'Université de Northwestern, aux États-Unis, ouvrent de nouvelles perspectives dans différents domaines comme l'agriculture de précision.

Ça ne date pas d'hier !

L'histoire des piles à combustible microbiennes remonte aux premières découvertes dans les années 1910, lorsque les scientifiques ont observé que des bactéries pouvaient produire de l'électricité en dégradant des matières organiques dans des environnements anaérobies. Cependant, leur développement a été limité pendant de nombreuses années en raison de la faible puissance de sortie et des coûts élevés associés à leur production.

Ce n'est que dans les années 2000 que les MFC ont suscité un regain d'attention, grâce aux avancées technologiques et à l'intérêt croissant pour les énergies renouvelables. Depuis lors, la recherche s'est concentrée sur l'amélioration de leur efficacité, de leur puissance de sortie et de leur durabilité, explorant de nouvelles méthodes de fabrication et de conception, ainsi que leurs applications potentielles dans des domaines tels que la surveillance environnementale, les dispositifs médicaux, la dépollution et la production d'énergie dans des endroits isolés ou difficiles d'accès.

Une avancée significative se profile à l'horizon !

Aujourd'hui, les piles à combustible microbiennes (MFC) représentent une technologie prometteuse dans le domaine de l'énergie durable et de l'environnement, offrant un potentiel considérable pour une multitude d'applications.

En exploitant le pouvoir des micro-organismes pour convertir les déchets organiques en électricité, les MFC pourraient jouer un rôle vital dans la transition vers une économie plus verte et durable, fournissant ainsi une solution pour relever les défis énergétiques et environnementaux du XXIe siècle.

Pourquoi miser sur les MFC ?

La nécessité de se tourner vers les MFC découle de deux grands défis contemporains :

• le changement climatique induit par l'activité humaine ;
• la croissance exponentielle des déchets électroniques.

Ces problèmes ont incité la communauté informatique à repenser fondamentalement la manière dont nous alimentons nos dispositifs électroniques. Les appareils alimentés par batterie sont omniprésents, mais ils ont besoin d'un remplacement et d'une recharge constants, contribuant ainsi à la prolifération des déchets électroniques et à une empreinte carbone considérable.

Face à cette réalité, les piles microbiennes à combustible du sol (SMFC) se présentent comme une source d'énergie renouvelable, biocompatible et viable, particulièrement dans des environnements où les ressources traditionnelles, comme les batteries et les panneaux solaires, montrent leurs limites.

Pour mieux comprendre

Afin de bien saisir le fonctionnement des MFC, il est crucial de noter leur différence fondamentale par rapport aux piles à combustible classiques. Cette technologie exploite le potentiel des bactéries naturelles pour fournir une source d'énergie renouvelable, contrairement aux piles à combustible traditionnelles qui utilisent des substances chimiques.

Un petit retour au collège…

Vous souvenez-vous des cathodes et des anodes ? Ce sont deux éléments clés dans le fonctionnement des dispositifs électrochimiques tels que les piles et les batteries. À la cathode, les électrons réagissent avec les ions présents dans la solution électrolytique, tandis qu'à l'anode, les ions réagissent avec les électrons libérés par la réaction chimique.

Cette différence de charge entre la cathode et l'anode crée une force électromotrice qui génère un flux constant d'électrons à travers le circuit externe. Ainsi, la cathode et l'anode jouent des rôles complémentaires dans la production et le maintien du courant électrique dans une pile ou batterie.

…plus une touche de technologie !

Les chercheurs ont conçu avec succès un modèle innovant de pile en forme de cartouche : en profondeur dans le sol, une anode horizontale capte efficacement les électrons des micro-organismes, tandis qu'une cathode verticale positionnée près de la surface assure un fonctionnement optimal.

Cette conception révolutionnaire surmonte les défis liés à l'approvisionnement en eau, en oxygène, ainsi qu'aux performances restreintes en cas de manque d'humidité, ouvrant ainsi la voie à une utilisation étendue des piles microbiennes dans diverses applications.

Pour arriver à cette fin, les scientifiques ont utilisé une approche méthodique basée sur l'analyse de données de déploiement sur neuf mois, provenant de quatre expériences SMFC explorant différentes géométries de cellules. Cette analyse a permis d'améliorer considérablement les performances des SMFC, élargissant ainsi leur plage d'efficacité énergétique sur une gamme étendue de teneurs en humidité du sol.

Ces développements notables positionnent les piles microbiennes comme une solution énergétique prometteuse, offrant une source d'électricité renouvelable et fiable, indépendamment des conditions climatiques et environnementales.

Quels avantages peut-on en tirer ?

Dans le domaine de l'agriculture de précision, cette innovation offre une source d'alimentation durable pour les capteurs utilisés, garantissant ainsi un fonctionnement continu et fiable. De plus, la conception avancée de la pile permet une adaptation efficace à différents niveaux d'humidité du sol, générant en moyenne 68 fois plus d'énergie que nécessaire pour alimenter les capteurs.

Avec une puissance supérieure de 120% par rapport aux technologies similaires, cette solution s'avère extrêmement efficace pour les besoins spécifiques de l'agriculture de précision. De plus, les chercheurs ont intégré une minuscule antenne aux capteurs alimentés par la pile, facilitant ainsi la transmission en temps réel des données collectées à une station de base.

Cette technologie offre ainsi la possibilité de surveiller de près les éléments du sol tels que l'humidité, les contaminants et les nutriments de manière durable, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour une gestion optimisée des ressources agricoles.

Qu'en est-il de l'expansion à grande échelle ?

La disponibilité des composants nécessaires à la fabrication de cette pile à combustible microbienne rend envisageable une production à grande échelle dans un avenir proche, ouvrant ainsi la voie à une adoption étendue de cette technologie révolutionnaire.

Cependant, malgré ces progrès encourageants, des défis subsistent quant à l'alimentation des systèmes informatiques pratiques avec des SMFC à ce stade de développement. Néanmoins, les SMFC présentent une promesse significative en tant que source d'énergie renouvelable et potentiellement biodégradable, capable de générer suffisamment d'électricité pour alimenter des capteurs sans fil analogiques à long terme.

Cette recherche ouvre ainsi la porte à de nouvelles investigations visant à permettre aux capteurs alimentés par SMFC de répondre aux besoins croissant de la communauté informatique en matière de dispositifs IoT durables et autonomes.

Référence : Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutierrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora, and Josiah Hester. 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Proc. ACM Interact. Mob. Wearable Ubiquitous Technol. 7, 4, Article 196 (December 2023), 40 pages. https://doi.org/10.1145/3631410