FEI Company

A l’échelle du nanomètre, où les dimensions de la matière sont inférieures à 100 nanomètres (nm), les matériaux commencent à présenter des propriétés uniques. Ceci définit la base de la nanotechnologie. Il s’agit du niveau auquel se détermine le comportement essentiel de la matière. FEI est engagée dans la science relative aux microscopes électroniques et dans la fabrication de ces microscopes, qui sont utilisés pour caractériser et analyser ces propriétés critiques en vue de faire avancer la nanotechnologie. L’application de la nanotechnologie au secteur de l’énergie peut offrir de nouveaux moyens de production, de stockage et de conservation de l’énergie – ceci ayant pour effet de bénéficier l’environnement et d’exercer éventuellement un impact sur les changements climatiques.

La nanoscience – qui représente la capacité d’explorer et de découvrir les blocs de base de notre univers – est une discipline de recherche qui existe depuis des décennies, mais la première vague de nanotechnologies réelles commence tout juste à faire son apparition, et elle est des plus impressionnantes. La nanotechnologie a déjà démontré comment elle peut nous aider à identifier et utiliser d’autres sources d’énergie propres et durables, dont l’hydrogène, les éoliennes et l’énergie solaire.

Figure 1: Microscope électronique à transmisson FEI Titan™ 80-300 – qui est le microscope le plus puissant au monde qui soit disponible dans le commerce

Energie de l’hydrogène – Le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) aux Etats-Uni se sert de la nanotechnologie pour développer un nouveau milieu de stockage de l’hydrogène qui servira à alimenter en carburant les futurs moyens de transport. L’hydrogène est l’un des moyens de réduire notre dépendance des carburants à base de carbone. Il existe en quantités abondantes dans notre atmosphère, et il produit une plus grande quantité d’énergie par unité de masse que tout autre carburant connu. On peut s’en servir pour remplacer les carburants classiques ou bien pour alimenter les piles à combustible qui convertissent l’hydrogène en énergie électrique et en chaleur. Bien que le concept d’économie d’hydrogène soit connu depuis bon nombre d’années, il existe plusieurs obstacles techniques empêchant l’adoption de l’énergie de d’hydrogène sur grande échelle. L’obstacle le plus important concerne le stockage. Les scientifiques de PNNL se servent borane-ammoniac (AB) solide, qui est comprimé en petites boulettes pour le stockage de l’hydrogène. Chaque millilitre de AB est d’un poids d’environ trois-quarts de gramme et peut recevoir jusqu’à 1,8 litres d’hydrogène. Les chercheurs prévoient qu’un système de carburant employant de petites boulettes de AB occupera moins de place et sera plus léger que les systèmes utilisant de l’hydrogène gazeux sous pression; ceci permettra aux véhicules équipés de piles à combustible d’avoir davantage de place, une plus grande autonomie et de meilleures performances que les voitures actuelles.

Eoliennes – L’un des problèmes liés aux éoliennes porte sur leur fiabilité. Les turbines des éoliennes sont d’énormes objets en rotation qui sont censés tourner dans toutes conditions. L’eau de pluie et l’eau de mer se déposent souvent sur les pales des turbines, et ces eaux gèlent par la suite; ceci a pour effet d’augmenter le poids des pales en fibre de verre et d’exiger une plus grande force pour leur rotation, et l’efficacité des turbines s’en trouve réduite jusqu’à hauteur de 10%. Or, les nouveaux revêtements, réalisés atome par atome, peuvent aider les pales à repousser l’eau de manière efficace. Les scientifiques se servent de microscopes électroniques pour comprendre comment les surfaces des feuilles et des plantes repoussent l’eau dans la nature, et ils cherchent à reproduire ce processus. Une société a mis au point une méthode servant à recouvrir les surfaces de cristaux de cire à l’échelle du nanomètre, qui transforment l’eau rapidement en perles, réduisant ainsi l’absorption d’eau.

Les nouvelles surfaces à auto-nettoyage sont réalisées selon le même principe; elles utilisent les caractéristiques des particules à l’échelle du nanomètre – par exemple, le bioxyde de titane – pour promouvoir le dépoussiérage à partir des surfaces à découvert. La crasse qui s’accumule sur les pales de turbinse exerce le même effet que le givre, mais les particules de bioxyde de titane réagissent avec les rayons ultraviolets du soleil et décomposent la crasse à la surface, qui est par la suite enlevée par les eaux de pluie.

Energie solaire – La nanotechnologie permet de faciliter le développement de panneaux solaires moins coûteux, ce qui pourrait encourager un plus grand nombre de personnes à investir des fonds dans l’énergie solaire. Les panneaux solaires se servent de l’effet photovoltaïque pour convertir la lumière solaire en électricité. L’énergie solaire est devenue populaire dans les années 1970, mais elle a perdu une partie de sa popularité à la suite des fluctuations dans les économies réalisables par rapport aux combustibles fossiles. La nanotechnologie nous aide à réduire le coût des panneaux solaires en éliminant la nécessité de les fabriquer avec du silicium. Les couches minces réalisées en nouvelles substances photovoltaïques ne mesurant que 1 nanomètre d’épaisseur peuvent produire autant d’électricité qu’une couche de silicium de 200-300 nanomètres d’épaisseur. Ces éléments à couches minces offrent les mêmes efficacités de conversion que ceux employant le silicium, mais leur fabrication est moins coûteuse.

Figure 2: Image à résolution atomique des nanoparticules d’une pile à combustible à oxyde solide

Utilisation plus efficace des carburants existants

La nanotechnologie nous aide à comprendre comment fonctionnent les carburants. En comprenant mieux les propriétés des différent carburants, nous pouvons les manipuler en vue d’obtenir de l’énergie de manière plus efficace. De nombreuses entreprises et institutions de recherche démontrent déjà comment la manipulation à l’échelle du nanomètre permet d’utiliser plus efficacement les carburants existants. Ceci couvre l’éclairage des habitations et des bureaux au moyen de diodes électro-luminescentes (LED) au lieu des ampoules électriques classiques, le développement de catalyseurs pour le carburant diesel en vue d’accroître l’efficacité des moteurs, et l’identification de nouvelles méthodes de distribution de l’électricité.

	Figure 3: Image à résolution atomique d’un nanotube au carbone. Reproduite avec l’autorisation du Prof. N. Kiselev, Institut de Cristallographie, Moscou, Russie

Les travaux de recherche à Université de Cambridge laissent entendre que si on remplace les sources de lumière peu efficaces par des diodes électro-luminescentes (LED) très efficaces à nitrure de gallium (GaN), il serait possible de réduire de 33% la consommation d’électricité pour l’éclairage au Royaume-Uni. Ces diodes LED de haute qualité peuvent être fabriquées par des moyens courants et elles ont déjà été commercialisées; d’autre part, les diodes LED blanches, utilisées en grands nombres dans les torches électriques et les lampes de bicyclettes, produisent une lumière qui est trop éblouissante. L’Université de Cambridge se sert de microscopes électroniques puissants pour savoir comment améliorer le rendu des couleurs de la couche de phosphore, en vue d’obtenir une lumière blanche semblable à la lumière du jour qui puisse être utilisée dans les habitations et les bureaux.

Oxonica, qui est l’une des principales sociétés travaillant dans le domaine des nanomatériaux et qui est basée à Oxford, a développé un catalyseur transporté dans le carburant qui améliore l’économie en carburant et réduit les émissions. Le catalyseur a été adopté par le Groupe Stagecoach pour l’ensemble de son parc de 7.000 véhicules au Royaume-Uni afin d’accroître le rendement énergétique du carburant employé dans ses cars et ses bus.

La nanotechnologie peut nous aider à dépendre dans une moindre mesure de la production locale d’électricité. Les nanotubes au carbone – qui sont des tubes minuscules de carbone dont on assure la croissance pour leurs propriétés de résistance mécanique et de légèreté – sont de meilleurs conducteurs d’électricité que les fils clasiques en cuivre. Les nanotubes peuvent transporter plus d’un milliard d’ampères de courant par centimètre carré, et perdre très peu de cette énergie sous forme de dissipation de chaleur. En théorie, ils pourraient transporter l’électricité sur plusieurs milliers de kilomètres. Compte tenu de leur capacité d’être conducteurs efficaces d’électricité sur ces longues distances, les villes pourraient se servir de l’énergie produite dans des parcs géants d’énergie solaire implantés dans les déserts ou bien dans des parcs d’éoliennes au large des zones côtières plutôt que faire appel aux centrales locales au charbon, au gaz ou nucléaires.

Ces exemples ne représentent que quelques-unes des manières d’examiner et de manipuler les matériaux à l’échelle du nanomètre qui peuvent influer sur la façon dont nous gérons la fourniture et la demande d’énergie. Nous disposons d’un nombre fini de sources d’énergie sur la planète, mais en adoptant des moyens mesurables, nous pourrons en améliorer l’utilisation ainsi que notre rendement énergétique. En examinant les substances un atome à la fois, nous comprendrons mieux leur nature et pourrons déterminer la meilleure façon d’en exploiter les caractéristiques. En les manipulant à cette échelle, nous pourrons également développer de nouveaux matériaux et produits qui viendront étayer nos efforts en vue d’aboutir à un monde plus propre et plus efficace du point de vue énergétique.

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