De la vapeur d'eau grâce au soleil et aux nanoparticules

L'électricité est majoritairement produite à partir d'une source d’énergie et de la vapeur d’eau. Le gaz met en rotation des turbines couplées à des générateurs d'électricité. Si la vapeur d'eau sert à produire 90 % de l'électricité dans l'industrie, elle est aussi utilisée pour stériliser les instruments chirurgicaux et les déchetsdéchets médicaux, pour préparer les aliments, purifier l'eau ou désaliniser l’eau de mer.

Produire de la vapeur d'eau, c'est-à-dire faire passer l'eau à l'état gazeuxétat gazeux, nécessite un apport de chaleur : l'eau s'évapore à 100 °C à pression ambiante. Mais les scientifiques du Laboratory for Nanophotonics (LANP) de l'université Rice à Houston (États-Unis) pourraient bien bousculer les procédés de fabrication du gaz. Cette semaine, l'équipe du LANP a présenté un dispositif de « vapeur solaire » utilisant des nanoparticulesnanoparticules pour produire de la vapeur d'eau à partir de l'énergie solaire. Il peut transformer de l'eau gelée en vapeur d'eau en quelques secondes. 

Le dispositif de vapeur solaire est relativement simple : des nanoparticules sont incorporées dans l'eau liquide et absorbent l'énergie solaire. Celle-ci est réémise sous forme de chaleur, ce qui agite les moléculesmolécules d'eau et les fait changer de phase. Les particules se réchauffent si vite qu'elles transforment instantanément le liquide en vapeur. Pour nous convaincre, l'étudiante Oara Neumann montre en vidéo à quel point ces particules sont efficaces. 

Le dispositif de vapeur solaire développé à l'université Rice a une efficacité énergétique globale de 24 %, dépassant celle des panneaux solaires photovoltaïques. Il peut être utilisé pour des applications d'hygiène et de purification de l'eau dans les pays en développement. © Jeff Fitlow

Vapeur solaire : un meilleur rendement que les panneaux solaires

Lors de l'expérience, elle plonge un tube rempli d'eau et des fameuses nanoparticules dans un grand récipient d'eau glacée. En utilisant une lentillelentille pour concentrer la lumièrelumière sur le petit tube, elle montre que l'eau s'évapore presque instantanément bien que le tube soit entouré d'eau glacée. « Nos particules ont une surface de dissipation de la chaleur extrêmement petite. Ce chauffage intense nous permet de générer de la vapeur d'eau localement, ce qui est particulièrement contre-intuitif », explique Naomi Halas, la directrice du projet. 

Les détails du dispositif ont été publiés dans la revue ACS Nano. Le dispositif de « vapeur solaire » affiche un rendement énergétique de 24 %, tandis qu'un panneau solaire photovoltaïque classique ne dépasse pas les 15 %. L'équipe de l'université Rice s'attend à ce que ce système soit en premier lieu utilisé pour l'assainissementassainissement et la purification de l'eau dans les pays en développement. Pour Naomi Halas, « il s'agit de beaucoup plus que d'électricité. Avec cette technologie, on commence à penser l'énergie solaire thermiqueénergie solaire thermique d'une manière complètement différente ».

À gauche, l'étudiante de l'université Rice, Oara Neumann ; à droite Naomi Halas, parmi les chimistes les plus cités au monde. Derrière, le tout nouveau bijou du Laboratory for Nanophotonics, le dispositif de vapeur solaire. © Jeff Fitlow

« Nous ne changeons aucune des lois de la thermodynamiquethermodynamique »

Les étudiants de l'université ont créé un autoclaveautoclave pour produire de la vapeur solaire capable de stériliser les instruments médicaux et dentaires dans les cliniques qui n'ont pas d'électricité. « Le dispositif est remarquable en raison de son efficacité. Il ne requiert pas de série de miroirsmiroirs ou de panneaux solaires. Il prend très peu de place. Par exemple, la fenêtrefenêtre de notre autoclave de démonstration ne mesure que quelques centimètres carrés », explique Oara Neumann.

Pour le projet de vapeur solaire, Naomi Halas et Oara Neumann ont cherché à concevoir une particule qui interagit avec le plus large spectrespectre lumineux possible. « Nous ne changeons aucune des lois de la thermodynamique, a déclaré Naomi Halas. Nous ne faisons que produire de la vapeur d'eau d'une manière radicalement différente. »

Le laboratoire de Naomi Halas est spécialisé dans la création de particules réactives à la lumière. L'une de ses créations, la nanobille d'or, n'interagit qu'avec certaines longueurs d'ondelongueurs d'onde de la lumière et fait notamment l'objet de plusieurs essais cliniquesessais cliniques pour le traitement du cancercancer.