La science infuse

L'avenir des panneaux solaires réside-t-il dans les nanotubes de carbone ?

Aujourd'hui, il reste toujours moins coûteux de brûler des carburants fossiles que de raccorder sa prise à un panneau photovoltaïque. Les énergies renouvelables se confrontent à cet argument financier et doivent, pour prendre leur envol, résoudre une série de défis technologiques visant à les rendre plus économiques. Des chercheurs de l'université d'État de Californie à Northridge (États-Unis) viennent de franchir une marche supplémentaire en vue de diminuer le coût de revient de l'énergie solaire : ils ont conçu un prototype de cellule photovoltaïque n'utilisant aucun métal rare, mais constitué de simples nanotubes de carbone.

Revenons un instant sur le principe de l'énergie solaire. L'objectif est de transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique, c'est-à-dire d'engendrer, à partir des photons, une circulation d'électrons. Pour cela, les cellules photovoltaïques utilisent des matériaux semi-conducteurs : l'énergie apportée par un photon arrache un électron, qui forme alors un "trou" dans la structure du matériau. En induisant un mouvement opposé des électrons et des "trous" pour éviter qu'ils ne se recombinent, une différence de potentiel apparaît (c'est-à-dire une tension électrique), comme entre les deux bornes d'une pile. Alors que la première génération de cellules photovoltaïques utilisaient des semi-conducteurs inorganiques, tels le silicium, qui sont coûteux à extraire, les chimistes ont développé depuis une vingtaine d'années une seconde génération de cellules fabriquées à partir de matériaux organiques. Ils ont synthétisé une série de colorants assurant la photoconversion des photons en électrons et ainsi donné naissance aux cellules à pigment photosensible, dites cellules Grätzel du nom de leur concepteur. Ces cellules font toutefois face à certains problèmes : la faible durée de vie des colorants et l'utilisation d'électrodes métalliques, notamment en indium, une terre rare dont les ressources sont limitées.

 

L'imagerie infra-rouge montre le dégagement de gaz carbonique lorsque le champagne est versé dans la coupe.

"Un système hydroalcoolique complexe, composé de molécules de gaz de dioxyde de carbone (CO₂) formées avec l'éthanol pendant le processus de fermentation secondaire, dit prise de mousse". Présenté comme cela, il n'est pas sûr que vous ayez envie de vous en servir une coupe. Ou plutôt une flûte ? Le breuvage disséqué de la sorte par les chercheurs de l'université de Reims n'est autre que le champagne, ce vin effervescent produit dans le nord-est de la France depuis des siècles. Sa particularité réside dans ces petites bulles de gaz qui affleurent des parois du verre dans lequel il est versé, dont la taille et les arômes qu'elles libèrent sont examinés avec attention par les œnologues avertis (et dont la vie passionne les physiciens). L'équipe champenoise menée par Gérard Liger-Belair a voulu savoir qui, de la coupe ou de la flûte, assurait le meilleur dégagement gazeux, pour le plaisir des buveurs.

Le champagne contient une grande quantité de dioxyde de carbone, issu de la seconde fermentation du vin dit de base, enrichi en sucre et en levures : environ 9 g de CO₂ sont dissous dans une bouteille de 750 mL, soit l'équivalent de 5 litres de gaz ! Une fois le bouchon sauté, ce dégagement se produit selon deux processus parallèles : l'effervescence des bulles de gaz qui éclatent, et une diffusion "invisible" à la surface du liquide, au contact de l'air. Ce second phénomène peut être visualisé grâce à la thermographie infrarouge, sensible au gaz carbonique. Plus globalement, les chercheurs ont analysé la composition chimique des vapeurs recueillies au bord du verre (à l'endroit où l'on hume habituellement le vin) : en plus du CO₂, le champagne dégage en effet un certain nombre de composés organiques volatils, au premier rang desquels l'éthanol, qui interviennent dans la perception des arômes.