Carburants solaires tels que générés par la nature

Grâce à de nouvelles connaissances sur les détails de la division de l’eau photosynthétique, les perspectives de développement de carburants propres basés sur l’eau et la lumière du soleil s’améliorent

Les problèmes d’approvisionnement en énergie de la société pourraient être résolus à l’avenir à l’aide d’un modèle adopté de la nature. Lors de la photosynthèse, les plantes, les algues et certaines espèces de bactéries produisent des sucres et d’autres substances riches en énergie (c’est-à-dire des carburants) en utilisant l’énergie solaire. Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la conversion de l’énergie chimique à Mülheim an der Ruhr développe actuellement des méthodes expérimentales pour déterminer comment ce processus se produit dans la nature. Les scientifiques étudient un cofacteur particulièrement important impliqué dans la photosynthèse, un complexe manganèse-calcium, qui utilise l’énergie solaire pour séparer l’eau en oxygène moléculaire. Ils ont déterminé la structure exacte de ce complexe à un stade crucial de cette réaction chimique. Cela a conduit à une suggestion détaillée sur la façon dont l’oxygène moléculaire, O2, est formé au niveau de ce complexe métallique. Grâce à ces nouvelles connaissances sur la photosynthèse, les scientifiques ont fourni un plan pour des systèmes synthétiques qui pourraient stocker l’énergie de la lumière du soleil dans des transporteurs d’énergie chimique.

Depuis plus de trois milliards d’années, la nature utilise la lumière du soleil comme source d’énergie primaire dans la photosynthèse. Au cours de ce processus, les plantes, les algues et les cyanobactéries (algues bleues) utilisent la lumière du soleil pour scinder l’eau et produire des composés chimiques riches en énergie à partir du dioxyde de carbone (CO2). Le produit final est constitué d’hydrates de carbone qui, dans la nature, agissent comme des combustibles solaires dans la cellule vivante. Bien que les réactions de base de la photosynthèse soient connues depuis longtemps, des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la conversion de l’énergie chimique de Mülheim an der Ruhr et du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) de Saclay, en France, ont réussi à expliquer des détails importants du processus de division de l’eau induit par la lumière. Ils ont ainsi affiné la base scientifique de la production de combustibles solaires écologiques et peu coûteux par photosynthèse artificielle à l’aide de la lumière du soleil et de l’eau, un développement qui pourrait permettre à la société de mettre fin à sa dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel.

Un catalyseur de fractionnement de l’eau

Le fractionnement catalytique de l’eau induit par la lumière a lieu au niveau d’un complexe métallique qui est intégré dans une grande protéine membranaire (photosystème II). Ce complexe est composé de quatre atomes de manganèse (Mn) et d’un atome de calcium (Ca), qui sont maintenus ensemble par un réseau de ponts d’oxygène (voir image). Ce complexe oxydant l’eau ou dégageant de l’oxygène subit un cycle compliqué qui libère des électrons et des protons, donc finalement de l’hydrogène, et de l’oxygène moléculaire.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Science, l’équipe de recherche franco-allemande présente la structure de ce complexe manganèse-calcium directement avant la production d’oxygène. Cet aperçu d’une étape clé de la photosynthèse végétale est très significatif : il permet de comprendre plus en détail le mécanisme impliqué dans la photosynthèse et permettra de développer des systèmes synthétiques de séparation de l’eau induite par la lumière basés sur ce modèle.

L’étude est le résultat d’une étroite coopération entre les départements de chimie biophysique et de théorie moléculaire de l’Institut Max Planck pour la conversion de l’énergie chimique, sous la direction de Wolfgang Lubitz et Frank Neese. Au sein de ces départements, Nicholas Cox et Dimitrios Pantazis ont réuni une équipe interdisciplinaire qui vise à mieux comprendre les détails moléculaires de la scission de l’eau dans la nature.

Trois défis posés par la recherche sur le photosystème II

Le premier défi auquel les chercheurs ont été confrontés concernait l’extraction et la purification du photosystème II avec un complexe de division de l’eau entièrement intact à partir de l’organisme d’origine, une cyanobactérie thermophile, que l’on trouve dans les sources chaudes et les volcans du Japon et qui est très robuste. Pour répondre aux exigences très strictes concernant la qualité de la préparation, les chercheurs de Saclay ont dû mener plusieurs années de développement en coopération avec des chercheurs japonais.

Le deuxième défi que l’équipe de recherche a rencontré concernait la caractérisation du complexe de manganèse dans le photosystème II pendant les différentes étapes de la division de l’eau. Les chercheurs du département de chimie biophysique de l’Institut Max Planck de Mülheim ont surmonté cet obstacle grâce à la résonance paramagnétique électronique (RPE). Cette technique permet de visualiser la répartition des électrons dans une molécule ou un complexe métallique et fournit ainsi une vision approfondie des différentes étapes de la division de l’eau. « Ces mesures ont généré de nouvelles informations et ont permis de résoudre des problèmes concernant l’analyse détaillée des structures moléculaires du cycle réactionnel qui ne sont pas accessibles par d’autres méthodes », explique le Dr Alain Boussac du CEA Saclay.

Enfin, le troisième défi consistait à utiliser les informations obtenues pour produire un modèle structurel complet du biocatalyseur. Les calculs nécessaires à ce processus ont été facilités grâce à de nouvelles méthodes théoriques et aux supercalculateurs du département de théorie moléculaire de l’Institut Max Planck. Les chercheurs ont ainsi réussi à montrer que, pendant la dernière phase du cycle de réaction, une deuxième molécule d’eau se lie à un atome d’oxygène actif du complexe et libère un proton. Cela conduit à la formation de la liaison O-O à l’étape suivante.

Carburant à partir de la lumière du soleil – copier la nature

Grâce à ce décodage de la structure et de la fonction du catalyseur de division de l’eau dans le photosystème II au niveau atomique, une explication du mécanisme de division de l’eau est désormais à portée de main. Cette connaissance permet d’identifier des critères importants pour la conception de catalyseurs synthétiques similaires qui divisent l’eau en utilisant des éléments respectueux de l’environnement, peu coûteux et facilement disponibles. Actuellement, le platine et d’autres métaux rares ou complexes métalliques coûteux sont largement utilisés à cette fin. Cela rend la production à grande échelle de vecteurs d’énergie renouvelable (carburants) comme l’hydrogène très coûteuse, voire impossible.

A l’aide de catalyseurs bio-inspirés, l’hydrogène ou un autre carburant solaire pourrait être produit à bas prix par la combinaison de dispositifs d’énergie solaire avec des catalyseurs de division de l’eau pour la génération de carburants solaires au lieu d’électricité. Le secteur de l’énergie pourrait ainsi surmonter les principaux problèmes liés à l’énergie solaire : la lumière du soleil n’est pas disponible 24 heures sur 24 comme source d’énergie et l’électricité n’est pas très bien adaptée au fonctionnement des véhicules à moteur. En revanche, le concept de carburant solaire permet le stockage direct de l’énergie solaire dans des composés chimiques et, par conséquent, l’utilisation de cette énergie à tout moment et en tout lieu.

« Les carburants solaires synthétiques ouvrent de vastes possibilités pour les technologies d’énergie renouvelable, en particulier pour les secteurs des transports et des infrastructures, qui dépendent encore des combustibles fossiles », déclare le professeur Wolfgang Lubitz, directeur à l’Institut Max Planck pour la conversion chimique de l’énergie. « Un catalyseur efficace pour la séparation de l’eau par la lumière, basé sur des métaux communs tels que le manganèse, représenterait un énorme progrès dans ce domaine. Les connaissances acquises sur l’enzyme naturelle de division de l’eau grâce à cette recherche ont jeté les bases de tels développements. »

ES/PH