La photosynthèse artificielle est, au sens strict, un procédé physicochimique qui imite, plus ou moins, la photosynthèse naturelle des plantes afin de transformer l'énergie solaire en énergie chimique. Elle vise à produire des molécules d'intérêt, des aliments ou des carburants propres (hydrogène notamment), en utilisant des matériaux abondants, renouvelables et non toxiques. Cette expression a aussi, plus récemment, désigné un procédé qui contourne la photosynthèse, permettant à des plantes génétiquement modifiées de croître sans lumière (si elles sont alimentées par de l'acétate, qui peut lui-même être produit à partir de dioxyde de carbone éventuellement extrait de l'air).
La photosynthèse hybride combine des molécules et des matériaux pour créer des dispositifs plus efficaces. Par exemple, des chercheurs ont développé une « photo-électrode hybride » utilisant un semi-conducteur et un catalyseur moléculaire pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau et de la lumière solaire dans un dispositif « photo-électrochimique ».
La photosynthèse naturelle
vignette|Le CO2 est absorbé via la partie inférieure de la feuille à travers les stomates, l'eau provenant des racines et l'énergie de la lumière solaire (sphères lumineuses). Grâce à l'action de la chlorophylle (brillant dans la feuille), il y a un dégagement d'oxygène et synthèse de matière carbonée (C₆H₂O₆) pour la plante.
Définition La photosynthèsehttp://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/index.htm existe chez les végétaux chlorophylliens et chez certaines bactéries (cyanophycées). Elle consiste en une suite de réactions biochimiques provoquées par la lumière, le type d'énergie faisant réagir des molécules minérales simples (CO2, H2O…). Ces réactions entraînent la production de molécules organiques glucidiques de masse molaire relativement faible. Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée (amidon pour le stockage, saccharose pour le transport dans d'autres cellules), d'autres enfin s'unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d'oxygène en présence de lumière (ou éventuellement de manière retardée dans le cas des cactées).
La photosynthèse est donc un terme dédié à la réaction s'opérant au sein des végétaux au contact de la lumière. On parle de photosynthèse artificielle quand il s'agit d'utiliser l'énergie lumineuse (notamment solaire) pour réaliser des conversions énergétiques ne nécessitant pas la présence ou l'activité des cellules chlorophylliennes. Un domaine d'application de la photosynthèse artificielle est l'utilisation de panneaux photovoltaïques.
Enjeux Depuis des millénaires, l'humanité, la plupart des espèces et la biosphère dépendent de la photosynthèse, qui est notamment source d'oxygène, de régénération de l'air et de l'eau, et de l'essentiel de notre nourriture.
Face à une démographie qui continue à croître dans un contexte de dérèglement climatique, de crise de la biodiversité, et de dépassement des limites planétaires, contourner les limites d'efficacité de la photosynthèse naturelle pour améliorer l'efficacité de la production alimentaire, représente un enjeu scientifique et technique.
Rappels sur le rôle de la photosynthèse La photosynthèse permet aux organismes qui la pratiquent (végétaux, cyanobactéries, lichens) de stocker de l'énergie d'origine solaire, principalement sous forme de sucre (de l'amidon pour les plantes) pour répondre aux besoins présents et futurs de l'organisme.. Les organismes qui pratiquent la photosynthèse sont autotrophes.. Ils peuvent ainsi synthétiser des matières organiques (notamment des protéines) à partir de matières inorganiques et du rayonnement solaire.
Quelques animaux ont, au cours de l'évolution, appris à utiliser indirectement le mécanisme de la photosynthèse, via des endosymbioses. C'est spécifiquement le cas des coraux, de quelques vers plats, de l'éponge d'eau douce, Spongilla lacustris, de la Salamandre maculée (seul vertébré connu à ce jour (2011) qui ait pu établir une symbiose avec une algue, en l'occurrence Oophila amblystomatis) et de la limace de mer Elysia chlorotica (premier animal découvert capable d'utiliser la photosynthèse autrement que par symbiose avec une algue ; cette photosynthèse est effectuée par les chloroplastes de sa principale source de nourriture, l'algue Vaucheria litorea). À l'échelle planétaire, les algues et principalement le phytoplancton marin produisent le plus d'oxygène, suivis des forêts. Un domaine de recherche appliquée, la biomimétique, s'inspire de la nature pour développer des photosynthèses artificielles.
Le mécanisme de la photosynthèse vignette|droite|Photosynthèse|195x195px La plante capte le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l'air, et l'eau (H2O) dans le sol. L'énergie solaire est utilisée pour oxyder l'eau et réduire le gaz carbonique afin de synthétiser des substances organiques (glucides). Cette transformation se déroule dans les chloroplastes (organites cellulaires) qui contiennent la chlorophylle. Ce pigment assure l'absorption d'une partie de l'énergie des rayons solaires (bleus et rouges) qui rendent la photosynthèse possible. La photosynthèse a lieu au niveau des membranes thylakoïdes, une double membrane pigmentée qui se trouve à l'intérieur du chloroplaste chez les eucaryotes. C'est dans les thylakoïdes qu'a lieu la réaction lumineuse de la photosynthèse, là où se situent les photosystèmes 1 et 2 (Les photosystèmes interviennent dans les mécanismes de la photosynthèse en absorbant les photons de la lumière) et les cytochromes, protéines colorées qui transportent les électrons. Après plusieurs réactions chimiques entre l'énergie solaire, le CO₂ et l'H2O, du dioxygène (O2) et du sucre sont produits. L'O₂ est ensuite libéré dans l'atmosphère, et le sucre (généralement sous forme d'amidon) est stocké dans les fruits ou reste dans la feuille pour être transféré sous forme de saccharose dans la sève élaborée circulant dans les vaisseaux du phloème.
La phase claireOrluc Laurent, la source de la biodiversité, in Science et vie est un ensemble de réactions photochimiques dont le principe est de capter l'énergie lumineuse des photons solaires et de la transmettre, via des électrons vecteurs de cette énergie, à une chaîne d'accepteur d'électrons (molécules ayant des potentiels d'oxydoréduction variables). Elles dépendent de la lumière, et durant leur déroulement, les électrons sont transportés à travers les deux photosystèmes (PSI et PSII), ce qui permet de produire de l'ATP, molécule riche en énergie et du NADPH,H+ (potentiel réducteur). L'ATP est synthétisé par la pompe ATP-synthase qui exploite le gradient protonique créé lors la réaction entre le lumen du thylakoïde et le stroma du chloroplaste. La phase claire permet donc directement la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique, énergie qui sera forcément utilisée dans la phase sombre. La phase sombre correspond au cycle de Calvin, entièrement enzymatique et indépendant de la lumière, au cours duquel l'ATP et le NADPH,H+ produits sont utilisés pour la fixation du dioxyde de carbone en glucide. L'assimilation du se fait en quatre étapes principales, les trois premières se déroulant au sein du cycle de Calvin, la fixation du CO₂ (carboxylation) par la Rubisco puis sa réduction, la régénération de l'accepteur de CO₂ et la synthèse des sucres.
L'énergie captée chaque seconde par la photosynthèse est de l'ordre de , et c'est ce qui fournit l'essentiel de l'énergie de la biosphère (avec dans les fonds océaniques de l'énergie géologiquement fournie par le noyau terrestre, sur les dorsales océaniques notamment). La photosynthèse n'exploite annuellement que moins d'un millième de l'énergie solaire arrivant sur Terre (), mais c'est environ 10 fois plus que toute l'énergie consommée par l'humanité sur un an .
La photosynthèse artificielle ou hybride Il existe plusieurs types de photosynthèses artificielles ou « hybrides », tous à l'état de recherche ou de prototype, utilisant différents matériaux pour provoquer cette réactionscience et vie junior numero 276 septembre.
Historique En théorie, l'hydrolyse de l'eau, une des phases majeures de la photosynthèse, est un phénomène simple. Mais en pratique, à ce jour, il reste difficile à reproduire artificiellement et de manière durable, en raison d'un important coût énergétique et de diverses limites liées à l'électrochimie comme la passivation des électrodes.
En 1998, une équipe du National Renewable Energy Laboratory rapporte avoir créé un dispositif dissociant l'oxygène et l'hydrogène de l'eau à partir d'énergie solaire., mais il s'est révélé instable et couteux...
En 2007, une équipe de l'Université de Kyoto annonce avoir inventé un procédé captant le atmosphérique 300 fois plus efficacement que les plantes.
En 2010, des chimistes de l'Université de Göteborg, avec des équipes de l'École polytechnique Chalmers et d'autres universités européennes, observent grâce aux puissants rayons X de l'European Synchrotron Radiation Facility, les mouvements des atomes au sein de protéines engagées dans un processus de photosynthèse. L'expérience fournit des informations en trois dimensions sur des mouvements de l'ordre de 1,3 ångström de molécules. Elle pourrait aider à créer des dispositifs de photosynthèse artificielle..
En 2011, la « feuille artificielle », basée sur le principe de dissocier l'eau pour produire de l'oxygène et du dihydrogène, un projet de Daniel Nocera., ancien chercheur au MIT (Massachusetts Institute of Technology) semble le plus abouti technologiquement (après 25 ans d'études et proche d'une commercialisation).
En 2020, une équipe franco-allemande associant l'Institut Max Planck et une unité du CNRS construit un chloroplaste artificiel qui convertit le CO₂ cent fois plus vite que les précédentes constructions semi-synthétiques. Cette même année, des chercheurs français du CEA-Irig, avec l'Institut néel et l'EPFL, dans le cadre de l'initiative « Make Our Planet Great Again », publient un modèle de photo-électrode hybride durable apte à produire de l'hydrogène à partir d'une solution aqueuse : elle associe un semi-conducteur de type p (oxyde mixte semi-conducteur composé de fer et de cuivre), protégé de la corrosion par un film de moins de 10 nm d'épaisseur constitué d'oxyde de titane (TiO2) amorphe (non cristallin, déposée par Atomic Layer Deposition). Ce matériau absorbe l'énergie lumineuse et produit des électrons, envoyés vers un catalyseur moléculaire greffé à sa surface (cobaloxime, non toxique et géologiquement abondant), afin de produire de l'hydrogène.
En 2022 un système hybride organique-inorganique est proposé.
En 2024, quatre chercheurs, travaillant respectivement sur la chimie environnementale au Center for Carbon Management de l'Université de Washington ; sur l'ingénierie biomoléculaire au Center for Catalytic Science and Technology, de l'Université du Delaware ; sur le génie génétique au Center for Industrial Biotechnology de l'Université de Californie, et sur la biologie cellulaire au Center for Plant Cell Biology de l'Université de Californie, explorent depuis quelques années une autre voie et annoncent un concept hybride qu'ils baptisent électro-agriculture (électro-ag, à ne pas confondre avec l'électroculture), associant les progrès dans l'électrolyse du CO2 au génie génétique. Selon eux, « Si l'approvisionnement alimentaire des États-Unis était produit par l'électro-agriculture, l'utilisation des terres pourrait être réduite de 88 % tout en rationalisant considérablement les chaînes d'approvisionnement alimentaire en décentralisant la production alimentaire ». Les terres rendues disponibles pourraient alors être renaturées et rendues aux écosystèmes, au profit des services écosystémiques et notamment des processus naturel de séquestration du carbone.
L'électro-ag