Nanofibrilles de protéines pour la récupération d'énergie à partir de l'humidité ambiante – BioVolt

L'eau est le plus grand réservoir d'énergie au monde et capte environ 35 % de l'énergie solaire reçue par la Terre. L'hydrovoltaïque constitue un domaine de recherche associé à une nouvelle source d'énergie polyvalente et renouvelable basée sur l'eau. Elle permet de générer de l'énergie électrique directement à partir de l'interaction entre l'eau sous forme de vapeur et des nanomatériaux fonctionnels. Compte tenu de la puissance délivrée (quelques dizaines de µW/cm3), les applications technologiques potentielles se situent principalement dans l'électronique connectée à faible consommation (capteurs, IoT, etc.). Les matériaux de choix dans le domaine en plein essor de l'hydrovoltaïque sont inorganiques (e.g. les nanofils de silicium), hybrides (e.g. Ni/AlOx) ou à base de carbone (e.g. le graphène ou les nanotubes de carbone). Cependant, la possibilité de développer des matériaux hydrovoltaïques avec des biopolymères (e.g. cellulose et nanofibres de protéines) a été (très récemment) démontrée. Il convient de souligner que les dispositifs à base de protéines offrent des avantages potentiels significatifs par rapport à ceux qui utilisent des matériaux inorganiques en termes de puissance et de longévité, en plus de leurs avantages environnementaux intrinsèques.
Dans le cadre d'une innovation protégée par un brevet, le projet exploratoire BioVolt optimisera la génération spontanée d'énergie électrique induite par interaction directe de vapeur d'eau (humidité ambiante) avec des nanofibres de protéines; des fibres amyloïdes constituées d'une protéine du lactosérum dans le cadre du PRC BioViolt. Bien que l'hydrovoltaïque génère actuellement beaucoup d'attention, les mécanismes de base impliqués font encore l'objet d’intenses débats, limitant le développement d'applications technologiquement pertinentes. De plus, des verrous technologiques en lien avec la récupération et de la gestion de l’énergie dans cette technologie émergente restent à lever. Pour relever ces défis BioVolt aura trois objectifs: 1) un premier objectif scientifique fondamental visant à une meilleure compréhension des phénomènes physico-chimiques/physiques à l'œuvre dans la génération d'énergie électrique à partir de l'interaction de l'humidité ambiante avec des nanofibrilles protéiques. Les connaissances acquises durant cette première étape permettront d’aborder deux objectifs technologiques connexes: 2) optimiser les performances des matériaux hydrovoltaïques - la formulation des matériaux sera optimisée en combinant des nanofibres de protéines avec d'autres composés pour agir sur l'adsorption de l'eau et sur les conductivités ionique et électronique - et 3) développer un circuit de gestion de l’énergie adapté à l’hydrovoltaïque (faible puissance, basse tension et paramètres électriques qui évoluent avec l’humidité relative) pour la réalisation d’une preuve de concept d'un module hydrovoltaïque adaptable à tous types de capteurs et capable d'alimenter des nœuds de capteurs sans fil.
BioVolt unifient dans ce PRC les compétences, savoir-faire complémentaires et expertises clés de ses 3 partenaires (LCBM, LEPMI, CEA-LETI/DSYS) sur la tout la chaine de valeur nécessaire pour assurer le développement de son programme scientifique et la réalisation de ses objectifs. En tirant la quintessence d’une demande d’aide ANR de ca. 543.7 k€, BioVolt mobilisera 59.5 p.m. de chercheurs permanents et 80 p.m. de contractuels, équivalent à un effort cumulé de 3.32 chercheurs à temps plein sur 42 mois. En proposant l’acquisition d’un socle de connaissances fondamentales et la démonstration d’une preuve de concept, BioVolt ambitionne de participer aux progrès de la connaissance et d’ouvrir la voie à des innovations de rupture pour la conversion d'énergie hydrovoltaïque, en adéquation avec l'axe scientifique H.8 de l'ANR-AAPG2024 intitulé "Sciences de base pour l’énergie" et en ligne directe avec les objectifs de la Stratégie Nationale de la Recherche (SNR +SNRE) et des ODDs N°7 & 12.