L’application d’une petite tension aux parois des réservoirs de culture d’algues peut empêcher l’accumulation de nuages ​​et permettre une plus grande photosynthèse –

Les chercheurs du MIT ont mis au point une technologie simple et peu coûteuse qui pourrait limiter considérablement cet encrassement, permettant potentiellement un moyen beaucoup plus efficace et économique de convertir les gaz à effet de serre indésirables en produits utiles.

La clé est de recouvrir les récipients transparents d’un matériau pouvant contenir une charge électrostatique, puis d’appliquer une très petite tension à cette couche. Le système a bien fonctionné lors de tests en laboratoire et, avec un développement ultérieur, pourrait être appliqué à la production commerciale d’ici quelques années.

Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux fonctionnels avancésdans un article du récent diplômé du MIT Victor Leon PhD ’23, du professeur de génie mécanique Kripa Varanasi, de l’ancien postdoctorant Baptiste Blanc et de l’étudiante de premier cycle Sophia Sonnert.

Peu importe le succès des efforts pour réduire ou éliminer les émissions de carbone, il y aura toujours un excès de gaz à effet de serre qui restera dans l’atmosphère pendant des siècles, continuant d’affecter le climat mondial, souligne Varanasi. “Il y a déjà beaucoup de dioxyde de carbone là-bas, nous devons donc également examiner les technologies d’émissions négatives”, dit-il, faisant référence aux moyens d’éliminer les gaz à effet de serre de l’air ou des océans, ou de leurs sources avant qu’ils ne soient rejetés dans la l’air en premier lieu.

Lorsque les gens pensent aux approches biologiques de la réduction du dioxyde de carbone, la première pensée est généralement de planter ou de protéger des arbres, qui sont en effet un “puits” crucial pour le carbone atmosphérique. Mais il y en a d’autres. “Les algues marines représentent environ 50 % du dioxyde de carbone mondial absorbé aujourd’hui sur Terre”, a déclaré Varanasi. Ces algues poussent de 10 à 50 fois plus rapidement que les plantes terrestres, et elles peuvent être cultivées dans des étangs ou des réservoirs qui n’occupent qu’un dixième de l’empreinte terrestre des plantes terrestres.

De plus, les algues elles-mêmes peuvent alors être un produit utile. “Ces algues sont riches en protéines, vitamines et autres nutriments”, explique Varanasi, notant qu’elles pourraient produire beaucoup plus de nutriments par unité de terre utilisée que certaines cultures agricoles traditionnelles.

Si elles sont attachées à la sortie des gaz de combustion d’une centrale électrique au charbon ou au gaz, les algues pourraient non seulement prospérer sur le dioxyde de carbone comme source de nutriments, mais certaines des espèces de microalgues pourraient également consommer les oxydes d’azote et de soufre associés présents dans ces émissions. “Pour deux ou trois kilogrammes de CO₂un kilogramme d’algues pourrait être produit, et ceux-ci pourraient être utilisés comme biocarburants, ou pour les oméga-3, ou la nourriture », explique Varanasi.

Les acides gras oméga-3 sont un complément alimentaire largement utilisé, car ils constituent une partie essentielle des membranes cellulaires et d’autres tissus, mais ne peuvent pas être fabriqués par l’organisme et doivent être obtenus à partir des aliments. “Omega 3 est particulièrement attrayant car c’est aussi un produit de valeur beaucoup plus élevée”, déclare Varanasi.

La plupart des algues cultivées commercialement sont cultivées dans des étangs peu profonds, tandis que d’autres sont cultivées dans des tubes transparents appelés photobioréacteurs. Les tubes peuvent produire des rendements 7 à 10 fois plus élevés que les étangs pour une superficie donnée, mais ils sont confrontés à un problème majeur : les algues ont tendance à s’accumuler sur les surfaces transparentes, nécessitant des arrêts fréquents de l’ensemble du système de production pour le nettoyage, ce qui peut prendre autant de temps que la partie productive du cycle, réduisant ainsi de moitié la production globale et augmentant les coûts opérationnels.

L’encrassement limite également la conception du système. Les tubes ne peuvent pas être trop petits car l’encrassement commencerait à bloquer le flux d’eau à travers le bioréacteur et nécessiterait des taux de pompage plus élevés.

Varanasi et son équipe ont décidé d’essayer d’utiliser une caractéristique naturelle des cellules d’algues pour se défendre contre l’encrassement. Étant donné que les cellules portent naturellement une petite charge électrique négative sur la surface de leur membrane, l’équipe a pensé que la répulsion électrostatique pourrait être utilisée pour les repousser.

L’idée était de créer une charge négative sur les parois du vaisseau, de sorte que le champ électrique force les cellules d’algues à s’éloigner des parois. Pour créer un tel champ électrique, il faut un matériau diélectrique haute performance, qui est un isolant électrique avec une “permittivité” élevée qui peut produire un grand changement de charge de surface avec une tension plus petite.

“Ce que les gens ont fait avant d’appliquer une tension [to bioreactors] a été avec des surfaces conductrices », explique Leon, « mais ce que nous faisons ici concerne spécifiquement les surfaces non conductrices ».

Il ajoute : « Si c’est conducteur, alors vous faites passer du courant et vous choquez les cellules. Ce que nous essayons de faire, c’est une répulsion électrostatique pure, donc la surface serait négative et la cellule serait négative, donc vous obtiendrez une répulsion. Une autre façon de le décrire est comme un champ de force, alors qu’avant les cellules touchaient la surface et recevaient des décharges.”

L’équipe a travaillé avec deux matériaux diélectriques différents, le dioxyde de silicium – essentiellement du verre – et l’hafnia (oxyde d’hafnium), qui se sont tous deux avérés beaucoup plus efficaces pour minimiser l’encrassement que les plastiques conventionnels utilisés pour fabriquer des photobioréacteurs. Le matériau peut être appliqué dans un revêtement extrêmement mince, de seulement 10 à 20 nanomètres (milliardièmes de mètre) d’épaisseur, de sorte qu’il en faudrait très peu pour recouvrir un système de photobioréacteur complet.

“Ce qui nous passionne ici, c’est que nous sommes en mesure de montrer que, uniquement à partir d’interactions électrostatiques, nous sommes capables de contrôler l’adhésion cellulaire”, a déclaré Varanasi. “C’est presque comme un interrupteur marche-arrêt, pour pouvoir faire ça.”

De plus, dit Leon, “Puisque nous utilisons cette force électrostatique, nous ne nous attendons pas vraiment à ce qu’elle soit spécifique à la cellule, et nous pensons qu’il est possible de l’appliquer avec d’autres cellules que les algues. Dans les travaux futurs, nous aimerions j’aimerais essayer de l’utiliser avec des cellules de mammifères, des bactéries, des levures, etc.” Il pourrait également être utilisé avec d’autres types d’algues précieuses, telles que la spiruline, qui sont largement utilisées comme compléments alimentaires.

Le même système pourrait être utilisé pour repousser ou attirer des cellules en inversant simplement la tension, selon l’application particulière. Au lieu d’algues, une configuration similaire pourrait être utilisée avec des cellules humaines pour produire des organes artificiels en produisant un échafaudage qui pourrait être chargé d’attirer les cellules dans la bonne configuration, suggère Varanasi.

“Notre étude résout essentiellement ce problème majeur de l’encrassement biologique, qui a été un goulot d’étranglement pour les photobioréacteurs”, dit-il. “Grâce à cette technologie, nous pouvons désormais vraiment exploiter le plein potentiel” de ces systèmes, même si des développements supplémentaires seront nécessaires pour passer à des systèmes pratiques et commerciaux.

Quant à savoir combien de temps cela pourrait être prêt pour un déploiement généralisé, dit-il, “je ne vois pas pourquoi pas dans un délai de trois ans, si nous obtenons les bonnes ressources pour pouvoir faire avancer ce travail.”

L’étude a été soutenue par la société d’énergie Eni SpA, par le biais de la MIT Energy Initiative.