Une biopile à combustible est un dispositif qui utilise des matériaux biologiques pour générer de l’électricité de manière directe par le biais de réactions redox. Cela contraste avec l’utilisation conventionnelle des biocarburants pour produire de l’électricité à partir de la chaleur fournie par la combustion du matériau. Le principe de la technologie des biopiles à combustible est d’imiter divers processus naturels qui sont utilisés pour produire de l’énergie au sein des organismes vivants. Dans certains cas, des bactéries peuvent jouer un rôle dans ces piles à combustible. Depuis 2011, les biopiles présentent un potentiel en tant que source d’énergie alternative et dans diverses applications médicales et de bio-ingénierie.
Les organismes vivants tirent leur énergie de l’oxydation des glucides, qui sont générés par la photosynthèse des plantes et ingérés comme nourriture par les animaux. Les enzymes facilitent les réactions, dans lesquelles les glucides sont convertis en dioxyde de carbone et en eau par l’élimination des électrons, qui sont ensuite stockés dans les molécules d’adénosine triphosphate (ATP). Dans une biopile, les électrons produits par l’oxydation de molécules organiques – généralement des glucides, comme dans les organismes vivants – sont utilisés pour générer un courant électrique. L’idée d’utiliser ces processus biologiques pour produire de l’électricité existe depuis les années 1960, mais les premières tentatives de construction d’une biopile fonctionnelle et pratique ont rencontré des difficultés.
Une biopile consistera généralement en un conteneur divisé en deux sections par une barrière perméable. Dans une section, l’oxydation d’un glucide – par exemple, le glucose – fournit des électrons. Dans l’autre section, une réaction de réduction a lieu, qui utilise ces électrons. En connectant les deux électrodes, un courant peut être produit de l’électrode dans la section d’oxydation – l’anode – à l’électrode dans la section de réduction – la cathode.
L’un des plus gros problèmes pratiques entravant le développement des biopiles a été de trouver un moyen efficace d’acheminer les électrons libérés par les glucides dans l’anode. Les électrons sont initialement stockés dans l’enzyme oxydante et seraient, dans le processus naturel, transférés chimiquement dans les molécules d’ATP. Il existe deux méthodes possibles pour extraire les électrons de l’enzyme dans l’anode d’une biopile.
Dans la méthode de transfert direct d’électrons (DET), l’enzyme doit être liée à l’anode. Cela peut être fait chimiquement ou par d’autres méthodes, telles que la construction de l’anode à partir d’un maillage de nanotubes de carbone sur lesquels l’enzyme est adsorbée. Ces méthodes entraînent une activité réduite de l’enzyme et une perte d’efficacité qui en résulte, mais c’est, au moment de la rédaction, un domaine de recherche en cours et des techniques améliorées peuvent être développées.
L’autre méthode de transfert d’électrons est connue sous le nom de transfert d’électrons à médiation (MET). Cela ne nécessite pas que l’enzyme soit en contact avec l’anode ; au lieu de cela, les électrons sont transmis à une autre molécule avec un potentiel redox inférieur, qui cède ensuite les électrons à l’anode. Ce composé, appelé médiateur, doit également avoir un potentiel redox plus élevé que l’anode. Cette étape supplémentaire entraîne une perte d’énergie et la pile à combustible est donc en pratique moins efficace qu’elle ne pourrait l’être en théorie.
Les biopiles sont un domaine de recherche active et diverses solutions possibles à ces problèmes sont à l’étude. Parmi les possibilités figure l’utilisation de bactéries dans des piles à combustible microbiennes. Les bactéries réductrices de fer qui vivent dans des conditions anaérobies sont particulièrement prometteuses car elles réduisent naturellement le fer de son état d’oxydation +3 à son état d’oxydation +2. Le fer peut alors céder un électron à l’anode, revenir à son état +3 et agir comme une molécule médiatrice naturelle en transférant des électrons de la bactérie à l’anode.
Les principaux avantages des biopiles sont qu’elles sont non polluantes, ne nécessitent pas de catalyseurs coûteux et utilisent des matières premières courantes, peu coûteuses et facilement renouvelables. Les principaux inconvénients des biopiles sont leur inefficacité et leur faible puissance. À partir de 2011, cependant, on espère que ces problèmes pourront être surmontés, ouvrant ainsi une nouvelle gamme de possibilités. Ceux-ci incluent non seulement une énergie bon marché, propre et renouvelable, mais aussi la perspective de biopiles implantées, fonctionnant sur des substances produites par le corps, utilisées pour alimenter des dispositifs médicaux tels que des stimulateurs cardiaques.