Faut pas gâcher !

article original publié par Science @ Nasa
auteur : Karen Miller
traduction de Laurent Laveder
20 MAI 2004

Microphotographie de Geobacter metallidreducens
Microphotographie de Geobacter metallidreducens

Projet Geobacter

Des chercheurs travaillant pour le compte de la Nasa essayent actuellement de développer une nouvelle façon de produire de l’énergie. L’idée serait de créer de l’électricité à partir d’un matériau qui promet d’être abondamment produit lors d’un voyage vers Mars : les matières fécales.

On estime que durant un aller et retour de deux ans entre la Terre et Mars, un équipage de six personnes produira plus de six tonnes de déchets organiques solides, dont une grande partie d’excréments.

Qu’en faire ?

Pour l’heure, les déchets des astronautes sont renvoyés vers la Terre. Mais lors d’une expédition au long cours, il faudra pouvoir les recycler, car ces déchets contiendront malgré tout des éléments dont les astronautes auront besoin. On traitera l’urine de façon à en extraire de l’eau pure. On produira également de l’engrais. Et, avec l’aide d’une bactérie récemment découverte, on peut même espérer qu’il sera possible de produire de l’électricité.

Comme beaucoup de bactéries, celle-ci, qui fait partie de la famille des géobacteracées, se nourrit de matières organiques qu’elle décompose. On a découvert la Géobacter pour la première fois en 1987, dans la boue du fleuve Potomac. Elle adore les endroits où il n’y a pas d’oxygène et plein de fer. Elle a aussi la capacité assez inattendue de provoquer le mouvement des électrons dans les métaux. Cela signifie que dans des conditions appropriées, Geobacter peut à la fois traiter les déchets et produire de l’électricité.

Ces " bonnes conditions " vont peut-être se trouver bientôt réunies dans un tout nouveau type de pile à combustible, sous la forme d’une membrane microbienne. La formule est actuellement étudiée par une équipe de chercheurs à la tête de laquelle se trouve le Docteur Bruce Rittmann, de l’université Northwestern.

Toutes les piles à combustible fonctionnent selon le même principe : elles créent de l’électricité en produisant et contrôlant un flux d’électrons. Les piles à combustible classiques, comme celles utilisées à bord de la navette spatiale et dans certains prototypes de voitures, obtiennent leur flux d’électrons en arrachant ces derniers à des atomes d’hydrogène. Mais pour ce faire, il leur faut naturellement une alimentation constante en hydrogène frais.

Au lieu de quoi, les piles à combustible microbiennes arrachent leurs électrons des déchets organiques. La bactérie au cœur du dispositif se nourrit des déchets et, dans son processus de digestion, arrache des électrons aux matières qu’elle a ingérées. La bactérie Geobacter, et quelques autres, peut être stimulée de façon à libérer ces électrons directement vers une électrode de pile à combustible, qui à son tour les injecte dans un circuit. Et dès qu’ils s’écoulent dans ce circuit, ils produisent de l’électricité.

Les piles à combustible microbiennes sont déjà à l’essai sur Terre. Un prototype fonctionne à l’université d’état de Pennsylvanie. Il génère de l’électricité tout en purifiant des eaux usées domestiques.

Afin de rendre cette idée applicable aux voyages dans l’espace, il faut " une configuration très compacte et très efficace " reconnaît Rittman. La pile à combustible ne doit en aucun cas mobiliser trop de place. Pour répondre à cette contrainte, Rittmann a envisagé une pile à combustible formée de fibres étroitement comprimées, chacune d’entre elles étant une mini pile à combustible.

Chaque fibre aurait trois couches. Il s’agirait de sortes de brins de paille concentriques gigognes. Chaque couche correspondrait à un des éléments d’une pile à combustible classique : l’anode (à l’extérieur), la membrane électrolytique (au milieu), et la cathode (à l’intérieur). Une sorte de purin constitué de déchets liquéfiés s’écoulerait le long de la paroi extérieure, où Geobacter capturerait les électrons et les ferait passer vers l’intérieur du dispositif.

Mais avant que ce dispositif soit mis en service, Rittmann et son équipe doivent encore déchiffrer les mystères du mécanisme par lequel la bactérie peut transférer les électrons vers l’électrode. Jusqu’ici, en laboratoire, le taux de transfert est beaucoup trop bas. " Il faut qu’on trouve un moyen de l’accélérer " confirme Rittmann, " et par là-même générer plus de puissance ".

Il a quelques idées sur la façon dont il pourrait s’y prendre. " Les électrons doivent passer de l’extérieur de la membrane vers l’électrode. Mais pour cela, il faut qu’il y ait contact physique ".

Même si les bactéries sont confinées à la surface de l’anode, seule une petite partie de leurs cellules sont en contact avec le métal. Le courant d’électrons rencontre donc un goulet d’étranglement.

Un autre facteur est lié au voltage de l’électrode. Il faut qu’il soit suffisamment élevé pour stimuler l’abandon des électrons par les bactéries. " les bactéries ne mettent les électrons en mouvement que pour en obtenir de l’énergie. Et si cela ne leur rapporte aucun gain en énergie, elles ne se donnent pas cette peine ".

Mais quel est le voltage idéal ? C’est une des questions qui restent en suspens.

" Imaginons par exemple que la différence totale de voltage entre le carburant et l’anode soit de deux volts. Alors les micro organismes, tandis qu’ils abandonneront les électrons à l’anode, prélèveront peut-être 0,5 volt pour leurs besoins énergétiques, tandis qu’ils en fourniront 1,5 au circuit. Ces chiffres sont juste une hypothèse parmi d’autres, mais ils illustrent typiquement ce que nous cherchons à découvrir ".

La pile à combustible à membrane microbienne n’en est encore qu’à ses tout débuts. Cependant, si le projet réussit, il se peut qu’il quitte bien vite l’espace pour envahir nos maisons. Après tout, il n’y a pas que les astronautes qui produisent des déchets organiques…

" Il faut traiter ces déchets d’une manière ou d’une autre " fait remarquer Rittmann. " Alors pourquoi ne pas en profiter pour rendre positif le bilan énergétique de l’opération ? En produisant de l’électricité, les piles à combustible microbiennes permettraient de réduire le coût de traitement des eaux usées ".

Qui plus est, " elles modifieraient notre point de vue sur quelque chose que nous considérons comme indésirable : ces déchets deviendraient une ressource. "

Bureau de recherche biologique et physique

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Bruce E. Rittmann

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