vendredi 8 avril 2016

La frontière de l'énergie

Un aperçu des processus fondamentaux par lesquels l'énergie est transformée peut améliorer les sources d'énergie existantes et d'ouvrir de nouvelles technologies. L'histoire montre que les applications les plus profondes de la science fondamentale sont souvent imprévues. Notre sécurité énergétique ne repose pas seulement sur la science fondamentale et appliquée, mais aussi sur la prise de cadres socio-économiques plus larges en compte.
Les nouvelles technologies qui aideront à garantir l'approvisionnement en énergie dans le monde entier sont nécessaires d'urgence. Bien que de nombreux aspects de la science de l'énergie soient de nature appliquée, par exemple trouver des moyens d'exploiter et de stocker la puissance du vent et des vagues, de la recherche en science fondamentale promet de nouvelles et peut-être surprenantes possibilités pour nous déplacer au-delà de notre dépendance aux combustibles fossiles.
En 1905, quand Albert Einstein a développé sa célèbre formule E = mc 2, révélant la relation entre la masse et de l’énergie, il ne pouvait guère envisager le programme nucléaire civil qui émergerait de notre capacité à débloquer l'énergie stockée dans les noyaux atomiques. Encore plus difficile à prévoir, un autre demi-siècle plus tard, était que les humains pourraient être à la portée de produire des quantités quasi illimitées d'énergie propre grâce à la fusion nucléaire.
L'énergie de fusion est un formidable défi, car elle repose sur la combinaison isotopes de l'hydrogène pour former des noyaux d'hélium par confinement d'un plasma à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés. Plusieurs approches prometteuses sont actuellement explorées, y compris le projet ITER géant tokamak en France, des dessins stellarator liés- en particulier le Wendelstein 7-X expérience en construction en Allemagne, et un certain nombre de projets laser fusion. Les centrales électriques commerciales pourraient commencer à fonctionner en 2050, fournissant aux chercheurs peut surmonter d'importants problèmes matériels scientifiques. Toutes les recherches liées à l'énergie non fondamentale impliquent des grands projets et des échelles de temps longues, cependant.
Le transfert d'énergie
La plupart des gens ont tendance à associer «énergie» à la substance immatérielle qui éclaire nos lampes ou réchauffe nos maisons. Pour les scientifiques, cependant, l'énergie est un concept central et bien défini qui applique jusqu'aux échelles moléculaires et atomiques.
Au cœur de chaque processus pertinent pour notre approvisionnement en énergie - allant de la photosynthèse pour le fonctionnement des cellules solaires et des batteries - est le mouvement des électrons d'un atome ou d'une molécule à l'autre. Comprendre les mécanismes de transfert d’électron est donc d'une importance vitale.
Élucider les processus de transfert d’électrons qui ont lieu dans les plantes, par exemple, pourrait fournir le modèle pour imiter les éléments de la photosynthèse en utilisant plus simples, des systèmes artificiels. Cela pourrait permettre aux scientifiques de réaliser le vieux rêve de séparation de l'eau en hydrogène et oxygène par le rayonnement solaire à l'aide d'un système catalytique (actuellement, l'hydrogène moléculaire est principalement extrait du gaz naturel, ce qui nécessite de grandes quantités d'énergie). Comme l'hydrogène peut être converti en d'autres formes d'énergie par diverses voies, une telle source pas chère et efficace de l'hydrogène propre pourrait révolutionner nos ressources énergétiques.
Une infrastructure d'hydrogène, qui fournirait l'électricité à partir des piles à combustible ou de gaz et de turbines à vapeur, ne peut faire partie de notre mix énergétique, si les moyens sont trouvés pour stocker et transporter l'hydrogène moléculaire. Bien que le stockage à haute pression ou de l’hydrogène liquide sont actuellement les méthodes favorisées, effort intense est investi pour trouver des composés chimiques qui offrent plus de stockage des densités - ce qui est crucial pour l' utilisation de l' hydrogène dans les voitures.
Le méthane, qui est le composant principal du gaz naturel, pourrait également annoncer une telle infrastructure d'énergie propre. Non seulement est le méthane plus facile à manipuler que l'hydrogène, mais il y a aussi un certain nombre de voies par lesquelles pour le produire. L'un des plus efficace consiste à faire fermenter la biomasse en l'absence d'oxygène; Cependant, pour améliorer la productivité des fermenteurs dont nous avons besoin de comprendre ces voies biochimiques de façon plus détaillée - peut-être au point où nous pouvons utiliser des organismes génétiquement modifiés au lieu de souches naturelles.
Que ce soit les voies biologiques pures ou transformations chimiques sont utilisés, une compréhension fondamentale des exigences génétiques et métaboliques pour la production élevée de biomasse permettra d’améliorer les rendements énergétiques.
Exploiter l'énergie solaire
La production de carburants et de produits chimiques issus de la biomasse exploite indirectement la puissance du soleil; photovoltaïque produisent l'une des formes les plus polyvalents de l'énergie - électricité - directement. La physique fondamentale des semi-conducteurs a ouvert la voie pour les panneaux solaires à base de silicium en fonctionnement aujourd'hui; Cependant, les matériaux polymères promettent des solutions efficaces et flexibles plus rentables - l'idéal étant de peinture ou par pulvérisation sur les cellules solaires. Avant cet objectif peut être atteint, l'efficacité des matériaux doit être améliorée et leur durée de vie prolongée. Ceci requiert la recherche fondamentale dans la synthèse de molécules nouvelles et des méthodes pour l’assemblage de nanostructures contrôlées telles que les fullerènes, qui ont été une découverte fortuite .
Mundane que cela puisse paraître, l'amélioration des électrodes de cellules solaires est également crucial si l'énergie photovoltaïque doivent entrer l'utilisation généralisée (nouvelles électrodes seront également grandement bénéficier des piles à combustible et des batteries pour les technologies mobiles).Les électrodes transparentes de cellules solaires d'aujourd'hui reposent sur l'oxyde d'indium-étain, mais l'indium est cher et rare. De nouveaux matériaux tels que le graphène - une seule couche d'atomes de carbone - pourraient offrir une alternative moins chère, si elles peuvent être facilement fabriquées .
Les matières fondamentales la science pourrait également produire des polymères de haute performance et de nouveaux aciers alliés, avec d'excellentes propriétés mécaniques et un poids inférieur, réalisant ainsi des économies immédiates de la consommation de carburant. De même, les céramiques à haute température pourraient permettre une augmentation de la température de fonctionnement et, par conséquent, l'efficacité des moteurs ou des turbines. De nouveaux matériaux thermoélectriques qui produisent de l’électricité à partir des différences de température, par exemple ceux des moteurs de voiture, détiennent également la promesse de l’efficacité énergétique.
Lorsque la science ne suffit pas
Les questions énergétiques sont souvent discutées uniquement sur le plan technologique. Au fil des décennies-longs débats concernant la démonstration de l'énergie nucléaire, cependant, ce qui est souvent insuffisante. Les technologies énergétiques futurs, et non des moindres, la fusion pourrait avoir à surmonter la résistance similaire à celui rencontré par l'industrie nucléaire. Dans une économie de l'hydrogène, par exemple, la crainte d'explosions pourrait empêcher l'introduction généralisée. En effet, les discussions actuelles sur les risques de capture du dioxyde de carbone et de séquestration - technologies qui pourraient nous permettre de brûler des combustibles fossiles sans les émissions nocives - indiquent que même cette technologie ne pourrait pas être facilement acceptée.
Entrée des sciences sociales et de l'économie est donc vital lors de la planification de notre avenir énergétique. Les innovations liées aux systèmes d'énergie nouvelles devraient diffuser dans la société, car ils nécessitent la compréhension et l'acceptation. Comme les infrastructures énergétiques sont de plus en plus intégrées en Europe et dans le monde, les questions de droit international gagnent en importance.
>> Entrée des sciences économiques et sociales est indispensable lors de la planification de notre avenir énergétique.
Cette interaction étroite entre la science et les sciences humaines, associée à la poursuite des investissements dans la recherche fondamentale et appliquée, est indispensable si nous voulons résoudre un des plus grands défis de ce siècle.
Couches simples de graphite, graphènes, sont un sujet brûlant dans la science des matériaux en raison de leurs propriétés physiques intéressantes. Des chercheurs de l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères ont introduit des routes chimiques vers la grande échelle et la synthèse pas cher de couches de graphène structurellement parfait. Des films de graphènes avec une transparence élevée et une conductivité peuvent servir d'électrodes de fenêtre dans des cellules solaires organiques, des diodes électroluminescentes et des affichages à cristaux liquides, en remplacement des électrodes classiques