L’exploitation de l’énergie d’évaporation, un phénomène naturel omniprésent, ouvre de grandes perspectives dans le domaine de la production d’énergie renouvelable et de la récupération de chaleur perdue. L’effet hydrovoltaïque repose sur l’établissement d’un flux continu au sein de nanocanaux, qui agissent comme des mécanismes de pompage passifs. Ces dispositifs s’inspirent des microcapillaires des plantes, où le transport de l’eau est assuré par une combinaison de pression capillaire et d’évaporation naturelle. Malgré l’existence de dispositifs HV, la compréhension fonctionnelle des conditions et phénomènes physiques régissant la production d’énergie HV à l’échelle nanométrique reste limitée.
Giulia Tagliabue, à la tête du Laboratoire de Nanoscience pour les Technologies Énergétiques (LNET) de Lausanne a utilisé une combinaison d’expériences et de modélisation multiphysique pour caractériser les flux de fluides, les flux d’ions et les effets électrostatiques dus aux interactions solide-liquide, dans le but d’optimiser les dispositifs HV.
Le dispositif des chercheurs représente la première application hydrovoltaïque d’une technique appelée lithographie colloïdale de nanosphères, qui leur a permis de créer un réseau hexagonal de nanopiliers en silicium espacés avec précision. Les espaces entre les nanopiliers ont créé les canaux parfaits pour l’évaporation des échantillons de fluide, pouvant être finement ajustés pour mieux comprendre les effets du confinement du fluide et de la zone de contact solide/liquide. « Dans la plupart des systèmes fluidiques contenant des solutions salines, vous avez un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Cependant, lorsque vous confinez le liquide dans un nanocanal, seuls les ions de polarité opposée à celle de la charge de surface resteront », explique Tarique Anwar. « Cela signifie que si vous laissez le liquide s’écouler à travers le nanocanal, vous générerez du courant et des tensions ».
« Cela revient à notre découverte majeure selon laquelle l’équilibre chimique pour la charge de surface du nanodispositif peut être exploité pour étendre le fonctionnement des dispositifs hydrovoltaïques sur l’échelle de salinité », ajoute Giulia Tagliabue. « En effet, à mesure que la concentration d’ions du fluide augmente, la charge de surface du nanodispositif augmente également. Par conséquent, nous pouvons utiliser des canaux de fluide plus larges tout en travaillant avec des fluides à plus haute concentration. Cela facilite la fabrication de dispositifs utilisables avec de l’eau du robinet ou de l’eau de mer, par opposition à l’eau uniquement purifiée ».
L’évaporation, pouvant se produire en continu sur une large gamme de températures et d’humidités – et même la nuit –, offre de nombreuses applications potentielles pour des dispositifs HV plus efficaces. Les dispositifs HV pourraient théoriquement être exploités partout où il y a du liquide – ou même de l’humidité, comme la sueur – et pourraient donc également être utilisés pour alimenter des capteurs pour des appareils connectés, des téléviseurs intelligents aux dispositifs portables de santé et de fitness.
Enfin, les chercheurs voient également d’importantes synergies entre les systèmes HV et la génération d’eau propre. « L’évaporation naturelle est utilisée pour entraîner des processus de dessalement, car de l’eau douce peut être récoltée à partir d’eau salée en condensant la vapeur produite par une surface évaporative. Maintenant, vous pourriez imaginer utiliser un système HV à la fois pour produire de l’eau propre et exploiter l’électricité en même temps », explique Tarique Anwar.
