La photosynthèse artificielle

La photosynthèse artificielle est un domaine de recherche qui tente de reproduire le processus naturel de la photosynthèse c’est à dire la conversion de la lumière du soleil à partir de l’eau et du dioxyde de carbone, en hydrates de carbone et d’oxygène. On appele aussi photosynthèse artificielle la décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène à partir de l’énergie solaire. Le processus actuel qui permet d’engendrer la moitié de toute la réaction est la photo-oxydation. Cette demi-réaction est essentielle pour séparer les molécules d’eau, car elle libère l’hydrogène et l’oxygène(les ions). Ces ions sont nécessaires pour réduire par la suite le dioxyde de carbone en combustible. Cependant la seule façon connue pour réaliser cette réaction est d’utiliser un catalyseur externe qui peut réagir rapidement et absorber constamment les photons du soleil. L’idée de base derrière cette théorie est donc la création d’une « plante artificielle »source de combustible de type.

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Les recherches sur la photosynthèse artificielle peuvent être divisées en fonction de la phase de la photosynthèse naturelle: la séparation des molécules d’eau pour obtenir de l’hydrogène et l’oxygène qui se produit lors de la phase légère, et la fixation du dioxyde de carbone qui se produit pendant la phase d’obscurité.

La séparation des molécules d’eau (phase légère)

La phase légère, comme son nom l’indique, se déroule en présence de lumière du soleil. Pendant cette phase, les plantes transforment l’énergie lumineuse – sous forme de photons – en énergie chimique sous la forme de deux molécules de transporteur, l’ATP et de NADPH. L’énergie nécessaire à ces réactions est absorbée par les molécules de pigment (tels que la chlorophylle, les caroténoïdes et la phycocyanine).
Le processus d’obtention d’hydrogène et l’oxygène de l’eau est appelée électrolyse de l’eau, et consiste à appliquer une charge suffisante de potentiel électrique des molécules d’eau pour séparer les atomes qui les composent, car c’est une réaction qui ne se produit pas spontanément. Cette procédure nécessite quatre éléments, qui ont leur correspondance dans les plantes: une cathode qui concentre l’hydrogène (molécules de NADP +), une anode concentrée en oxygène (qui est libérée dans l’air), un électrolyte ou catalyseur (complexes photosynthétiques) et une source d’énergie (les molécules de chlorophylle qui absorbent la lumière du soleil).

Bien que l’électrolyse est facile à reproduire dans un laboratoire en utilisant l’électricité, le défi consiste à fabriquer des dispositifs, connus sous le nom de cellules photoélectrochimiques, capables d’utiliser l’énergie solaire pour maintenir la réaction en fonction de trois critères: elle doit être efficace, les matériaux utilisés dans la construction doivent être résistant à la corrosion causée par l’électrolyte et ils doivent approcher les limites du potentiel de l’hydrogène et l’oxygène(les critères ci-dessus imposent de sévères limites sur le choix des matériaux utilisés pour la fabrication de cathode et l’anode, ainsi que la sélection du catalyseur utilisé).
L’hydrogène est un produit important, car il est actuellement utilisé pour la production d’engrais; il hydrolyse les graisses(c’est un agent de réduction de certains minéraux) , mais il peut aussi être utilisé comme carburant directement, et pourrait même être utilisé pour remplacer l’essence dans les véhicules automobiles. Les scientifiques étudient le processus de la photosynthèse à partir de réactions chimiques nécessitant la lumière afin de produire de l’hydrogène à partir d’énergie solaire et de l’eau, de manière efficace.

Fixation du dioxyde de carbone (phase sombre)

Au cours de la phase d’obscurité, les plantes prennent l’énergie stockée dans les molécules d’ATP et le NADPH produites lors des réactions avec la lumière, pour synthétiser du glucose à partir du dioxyde de carbone et de l’eau. C’est la phase d’obscurité car les réactions peuvent se produire en l’absence de lumière, à condition qu’il y ait suffisamment de molécules d’ATP et de NADPH disponibles. Cet ensemble de réactions est également connu sous le nom de Calvin-Benson cycle ou C3 (carbone 3).
La fixation du carbone commence avec des molécules BPRU( Ribulose-1,5-bisphosphate) fixant de un à cinq carbones sur le sucre, dont chacun est associé à une molécule de CO2 de l’atmosphère pour produire deux molécules de Glycéraldéhyde utilisant l’énergie stockée dans l’ATP et le NADPH.

Sur douze molécules de Glycéraldéhyde synthétisées, seulement cinq sont utilisées pour régénérer les BPRU utilisé en début du cycle, deux autres impliqués dans la synthèse de glucose et les cinq autres pour d’autres molécules organiques dont la plante a besoin. L’aspect le plus important de ce recueil de réactions du point de vue scientifique, c’est qu’il s’agit précisément d’un processus cyclique permettant à ces réactifs d’être utilisés encore et encore, ce qui est un moyen très efficace pour stocker le dioxyde de carbone absorbé par des composés organiques.
Bien qu’il existe des catalyseurs capables de convertir le CO2 en monoxyde de carbone (CO), leurs problèmes est qu’aujourd’hui, ils sont inefficaces. Pour la conception de nouveaux catalyseurs, les scientifiques cherchent l’inspiration dans la coenzyme NADP + / NADPH, qui peut être considéré comme un «bras de robot » qui contient un proton et deux électrons de l’eau au cours des réactions légères et utilisé plus tard dans le cycle de C3 pour produire des hydrates de carbone.
La molécule produite lors de la photosynthèse est recyclable, de sorte qu’elle peut être utilisée plusieurs fois, une caractéristique qui n’a pas été en mesure d’être reproduite en laboratoire.
L’objectif principal de l’enquête sur la phase d’obscurité est de générer une molécule en présence de lumière du soleil pour être en mesure de la récupérer; comme pour l’électrolyse, c’est de bien comprendre ce processus afin de concevoir des catalyseurs capables de produire artificiellement des carburants à partir de dioxyde de carbone ou un de ses dérivés dans le futur.

Impact économique
En 2007, il y avait dans le monde 19.8×103 TW / h, soit l’équivalent de 12,029 millions de tonnes de pétrole pour l’électricité, dont 34% ont été produites à partir de pétrole,
26,5% du charbon , 20,9% du gaz naturel, et le reste de la quantité d’énergie produite par des sources renouvelables, parmi lesquelles la lumière du soleil qui était d’environ 0,7%.
Ces chiffres sont en contraste avec l’immense potentiel de l’énergie solaire(l’énergie moyenne totale qui percute la Terre est de 120×103 TW / h , la photosynthèse consomme seulement 90 TW / h de cette quantité).
La raison pour laquelle l’énergie solaire et les énergies renouvelables en général, représentent une petite fraction de la production mondiale n’a rien à voir avec son potentiel, mais avec leurs coûts de leurs exploitations. En 2002, le coût de production d’électricité à partir de l’énergie solaire aux Etats-Unis se situait entre 25 et 50 cents par KW / h, par rapport au coût du pétrole qui se situait entre 6 et 8 cents ou du charbon à un coût entre 1 et 4 cents(ce qui fait une différence de plus de 1200%).
De plus en 2008 le montant des réserves mondiales de pétrole s’élevaient à 170,800 millions de tonnes
Malgré une différence de prix énorme, l’importance d’exploiter des énergies renouvelables et propres a augmenté en raison de l’intérêt croissant pour atténuer les effets pervers sur l’environnement dus à l’utilisation des énergies fossiles.
Les preuves suggèrent que les énergies renouvelables peuvent jouer un rôle important dans la production d’électricité dans le monde entier sauf si des mécanismes sont mis au point pour réduire considérablement les coûts de production.

Du point de vue économique, la technologie de la photosynthèse artificielle
pourraient permettre de réduire les coûts de production d’électricité à partir d’énergie solaire de manière significative. L‘électricité serait produite de manière efficace et bon marché.

Impact écologique

La photosynthèse artificielle est une énergie renouvelable, sans émissions de dioxyde de carbone(élément dont elle a en plus besoin), permettant soit de produire de l’hydrogène, soit des hydrates de carbone. C’est-ce qui la différencie des autres énergies renouvelables comme les énergies hydroélectriques, solaires photovoltaïques, géothermiques et éoliennes qui produisent de l’électricité directement, sans passer par l’intermédiaire d’un combustible.

Telle quelle est, la photosynthèse artificielle pourrait devenir une importante source de carburant pour le transport. Contrairement à la biomasse , cette photosynthèse ne nécessite pas de terres arables, et donc ne pourrait pas rentrer en concurrence avec l’approvisionnement alimentaire.

Depuis la phase de la photosynthèse qui fixe le dioxyde de carbone de l’atmosphère, la photosynthèse artificielle, pourrait offrir un mécanisme économique pour la séquestration du carbone, réduisant la quantité de CO2 dans l’atmosphère, et atténuant ainsi ses effets sur le réchauffement climatique. Plus précisément, cette réduction des émissions de CO2 se produirait lorsque la photosynthèse artificielle serait utilisée pour produire du carburant à base de carbone qui serait stocké indéfiniment.