L’énergie de demain sera-t-elle tirée de l'infrarouge ?

Alors que les panneaux solaires actuels se contentent de convertir la lumière visible en énergie, les chercheurs de l'Idaho National Laboratory (INL) travaillent à un nouveau type de collecteurs utilisant le proche infrarouge avec un rendement jamais atteint jusqu’ici.

Une équipe de scientifiques conduite par Michael Naughton, du Boston College à Chestnut Hill (Massachusetts), vient de réaliser les premiers capteurs sensibles aux longueurs d’onde infrarouge, plus longues que la lumière visible mais dont les possibilités s’étendent bien au-delà de ce que les cellules solaires actuelles autorisent. Ils présenteront leur réalisation lors de la 2e conférence internationale sur les énergies renouvelables de l’American Society of Mechanical Engineers le 13 août prochain à Jacksonville.

Pour cela, les chercheurs proposent d’utiliser des panneaux tapissés de millions d’antennes minuscules, sensibles aux photons IR du Soleil et d’autres sources, première étape vers la réalisation d’un collecteur pouvant être produit en très grande série à moindre coût.

Fonctionner même la nuit

Ces "nanoantennes" visent l’infrarouge moyen, comme celui rayonné continuellement par la Terre, même la nuit, après avoir absorbé l’énergie du Soleil durant le jour. Les "piles" solaires actuelles, en revanche, ne peuvent mettre à profit que la lumière visible, et deviennent inopérantes durant la nuit. De plus, les nanoantennes sont susceptibles, dans un développement ultérieur, d’absorber la chaleur résiduelle des immeubles durant la nuit, où celle produite naturellement par l’électronique, et de convertir cette énergie habituellement gaspillée en électricité.

Ces dispositifs minuscules se présentent sous la forme de spirales d’or tracées sur un support à base de polyéthylène, une matière communément employée dans les sachets en plastique. Dale Kotter, membre de l’équipe de recherche, annonce qu’à l’instar d’autres chercheurs, qui fondent leurs espoirs dans la conversion d’ondes de plus faible fréquence du spectre électromagnétique telles les micro-ondes, les infrarouges présentent beaucoup plus d’intérêt. Une des raisons est que les propriétés physiques des matériaux changent lorsqu’ils sont soumis à de telles fréquences, signale-t-il.

L’équipe a étudié le comportement de plusieurs matériaux, y compris le cuivre, l’or, le manganèse, les soumettant à un rayonnement infrarouge précis afin de déterminer par simulation informatique les meilleures formes et dimensions d’antennes. Une parfaite optimisation tenant compte de tous ces paramètres permettrait d’atteindre un rendement de 92 % en infrarouge, ce qui est très loin d’être le cas avec des capteurs solaires conventionnels.

Les premières réalisations concrètes

Les chercheurs ont alors créé les premiers prototypes de tests basés sur les simulations. Les premières nanoantennes ont été gravées de manière conventionnelle sur un disque de silicium, à la façon des circuits intégrés, et se montraient capables d’absorber jusqu’à 80 % du rayonnement infrarouge qui leur était soumis.

Ils sont ensuite passés à un procédé de gravure sur support polyéthylène en feuilles minces, proches d’une réalisation de grande série. Celles-ci sont toujours actuellement en phase de tests, mais les premiers résultats suggèrent que leur capacité d’absorption du rayonnement infrarouge atteigne un respectable 50 à 60 %, correspondant à ce qui était attendu.

De nombreux progrès restent à accomplir

Cependant des progrès sont encore à réaliser avant de pouvoir appliquer l’énergie ainsi obtenue à une utilisation domestique. Le rayonnement infrarouge induit dans les nanoantennes des courants alternatifs qui oscillent à des fréquences allant jusqu’à 30 terahertz, ce qui exige la présence d’un dispositif redresseur afin de les convertir en courant continu. Mais il n’existe pas encore de redresseur capable de travailler sur de telles fréquences, ni même de dispositif diviseur permettant de rendre cette énergie exploitable. Des recherches s’accomplissent actuellement en ce sens.

Si cette difficulté pouvait être surmontée, on obtiendrait des capteurs solaires bien plus efficaces que les actuels, dont le rendement plafonne à 20 % en lumière visible. Les scientifiques ont développé et réalisé des dispositifs plus complexes et de rendement plus important, mais actuellement trop coûteux pour une utilisation courante.

De fabrication relativement simple par gravure sur un substrat bon marché, les nanoantennes peuvent être adaptées à diverses fréquences du rayonnement infrarouge selon leurs dimensions et leur forme. Elles pourraient constituer la "peau" de différents objets usuels, tels des ordinateurs portables ou des téléphones cellulaires, leur fournissant une énergie continue et peu coûteuse.



Nanoantennes d’or gravées expérimentalement sur une puce de silicium et fonctionnant à une fréquence de 30 terahertz. Crédit INL.