On ne découvre pas l' électricité en améliorant la bougie
(Sur CDS/ISIS/UNESCO)
Escherichia coli produit un courant de 1,5 mlA/m2
Depuis 1910, on sait que les bactéries sont capables de fabriquer de l’électricité. En 2003, Uwe Schröder, chercheur en électro-chimie de l’Université Ernst Moritz Arndt de Greifswald, a pulvérisé, en 2003, le record d’intensité de courant généré de façon durable avec des micro-organismes : il a réussi à produire 1,5 milliampère par centimètre carré grâce à de microscopiques cellules en forme de bâtonnets, des escherichia coli.
Des cellules en forme de bâtonnet
d'Escherichi coli
En anaérobie, la fermentation des sucres par E. coli produit de l’hydrogène, C’est la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène qui produit de l’électricité. Cependant, selon Uwe Schröder, ce phénomène à l’origine de leur découverte n’explique pas tout. Les chercheurs pensent que la bactérie serait à même d’alimenter directement l’anode en électrons.
Jusqu’à présent, en laboratoire, on utilisait des anodes en métal, dont l’efficacité est rendue rapidement nulle par l’agglomération/l’accumulation des produits de fermentation. Pour palier ce problème, l’équipe d’Uwe Schröder a enduit l’anode en platine d’un polymère, appelé polyamine, qui ralenti la formation du dépôt. Ce composé pourrait avoir aussi comme propriété de favoriser l’apport d’électrons par les bactéries. Toutes les 20 minutes, des impulsions électriques permettent de nettoyer l’anode, ce qui rend la cellule utilisable plusieurs heures d’affilée. Les chercheurs ont obtenu des résultats similaires mais moins spectaculaires en utilisant des levures.
Une biopile écologique ?
Cette découverte pourrait servir de « nouvelle pile » pour les appareils cardiaques. Mais ces avantages sur les piles au plomb, alcalines, NiMH, au lithium, à hydrogène sont surtout écologiques. Ainsi Stefano Freguia, thésard de l’université du Queensland a pensé que les déchets organiques des eaux d'égouts contiennent suffisamment d'énergie pour produire de l'électricité. Cette énergie récupérée des polluants, indique le Professeur Keller du laboratoire Advanced Watewater Management Centre, est suffisante pour le traitement des eaux usées. La biopile combine alors 2 avantages de produire de l'énergie à partir d' eaux usées et de les épurer.
Pour générer ce courant, il faut provoquer une modification à l’intérieur même de la bactérie. La digestion de matière organique, augmente de manière sensible un stock d’électrons dont les bactéries doivent se débarrasser pour préserver leur équilibre biochimique. Quand les bactéries sont à l’air libre, c’est l’oxygène qui va venir se combiner avec les électrons et ainsi mettre en œuvre la décomposition de la matière organique. La réaction produit de l’eau, matière parfaitement inoffensive pour les bactéries.
Un peu d'histoire
L'idée d'une "électricité animale" n' est pas nouvelle: Galvani avait déjà fait en 1780 le lien entre électricité et le monde animal. Il avait observé que des nerfs et des muscles touchés par les pointes d'un compas aux pointes de 2 métaux différents se contractent violemment. Galvani suppose que les animaux contiennent un fluide, l' "électricité animale" proche du fluide électrique qui se décharge d' une pointe à l' autre.
Mais A Volta, de l'Université de Pavie après avoir lu l'ouvrage de Galvani, "De Viribus Electricitatis in motu musculari commentarius", paru en 1791 (sur les forces de l'électricité dans les mouvements musculaires), est intrigué par la nécessité d'utiliser deux métaux différents pour obtenir une décharge. A la suite d' expériences faites par Sulzer en Suisse, il est amené à admettre que la décharge passe à travers nerfs et muscles mais provient des 2 métaux différents. Ainsi une lame de cuivre fixée à une lame de fer produit sur la langue une saveur acidulée ou alcaline suivant l' ordre dans lequel sont placés les deux métaux.
En 1793, il établit sa "série des tensions" pour différents métaux. Ses travaux ultérieurs vont alors l'amener à réaliser un dispositif totalement inédit. Il empile des disques de cuivre et de zinc en alternance. Chaque paire est séparée de sa voisine par un tissu imbibé d'eau salée. Grâce à cet assemblage, il obtient un courant électrique continu. C'est ainsi qu'il invente, en 1800, la pile électrique.
Une pile Volta
L'habileté d' A Volta a été de ne pas mettre en doute les expériences de Galvani mais de les interpréter différement : les travaux de Galvani ne prouvent pas, pense-t-il, l' existence d' une "électricité animale " mais au contraire d' une électricité d'origine physique. Grâce à la pile qui porte son nom, on pouvait produire à volonté des courants électriques qui ne seront plus des curiosité réservés aux cabinets de physique comme du temps de l'abbé Jean Antoine Nollet (1700-1770)
Ce détour par l'invention de la pile volta permet d'écrire le principe de son fonctionnement :
A la cathode (pôle +), l'eau est réduite selon l' équation :
H2O + e- => 1/2 H2 + OH-
A l'anode (pôle -), le zinc est oxydé
Zn => (Zn 2+) +2 e-
La biopile se déduit alors de la pile volta en écrivant :
matière organique = l’hydrogène
bactéries = zinc ou platine.
Concrètement, une biopile se compose de 2 compartiments : le premier contient les bactérie à l' abri de l' air qui génèrent les électrons. Le second contient l' oxygène entrant dans la production de l' eau . Les piles actuelles sont capables de produire 1,5 mA/cm2.
Liens
De Galvani à Volta : une rivalité féconde
Mr Volta, exprience, principe, pile
Interprétation
Plutôt que de contester les résultats expérimentaux acquis par Galvani, Volta en donne une nouvelle interprétation