L’essor des véhicules électriques bute encore sur les batteries actuelles qui, malgré de réels progrès, ne contiennent pas assez d’énergie pour faire rouler sur de longues distances nos voitures et nécessitent en outre de longs temps de rechargement. Mais les nanotechnologies sont en train de révolutionner les solutions de stockage embarqué d’électricité. Plusieurs laboratoires dans le monde travaillent sur des nanocondensateurs électrostatiques, qui augmentent par dix la capacité de stockage du classique condensateur électrostatique. Avec ce dispositif, il sera bientôt possible de stocker et de distribuer efficacement l’électricité récoltée grâce aux moyens alternatifs (solaire, vent etc.).

Gary Rubloff, directeur du NanoCenter de l’Université du Maryland, souligne que cette technologie offre "une haute densité d’énergie, d’une forte puissance et d’un rechargement rapide qui sont essentiels pour notre énergie future". Le chercheur insiste sur le fait qu’il s’agit d’une technologie pour la production de masse. Le but étant de réussir à appliquer des milliards de nanostructures dans une batterie. À long terme, il prévoit que la même nanotechnologie sera utilisée pour offrir une nouvelle façon de stocker les énergies renouvelables destinées à l’alimentation énergétique des usines. Mais également de pouvoir faire face à une demande croissante en énergie propre.

D’après des chercheurs du MIT, il sera bientôt possible de fabriquer à un coût raisonnable des batteries de téléphone ou d’ordinateurs qui se rechargent en quelques dizaines de secondes, tout en étant plus petites et plus légères. La technologie qu’ils ont mise au point ne change pas drastiquement des batteries actuelles que nous utilisons, les batteries Lithium Ion. En effet, le matériau utilisé est le Lithium Fer Phosphate, LiFePO4 et l’approche ne requiert que de simples changements dans le procédé de production de ce matériau déjà bien connu. Tout ça joue en faveur d’une commercialisation qui ne prendrait pas plus de deux ou trois ans, selon le responsable de la recherche Gerband Ceder.

Comme toutes les batteries Lithium Ion, le LiFePO4 absorbe et délivre de l’énergie par l’extraction simultanée et respectivement l’insertion d’ions Li+ et d’électrons. Ainsi, la capacité à fournir de la puissance et à se recharger dépend de la vitesse de déplacement des ions Li+ et des électrons à travers l’électrolyte et à travers le matériau des électrodes.

Les simulations faites par les chercheurs Byoungwoo Kang et Gerbrand Ceder montrent que les ions et les électrons se déplacent intrinsèquement vite, donc la limite à leur déplacement rapide dans les batteries actuelles se situe autre part : ils ont mis en évidence que les particules chargées se déplacent dans des sortes de tunnels à travers le matériau, dont les entrées et les sorties se situent sur la surface. Si les particules ne sont pas en face de ces entrées, elles ne peuvent pas se déplacer. Le LiFePO4 nanostructuré permet d’obtenir une mobilité importante des ions et électrons en surface du matériau. Un prototype de batterie de ce type pourrait se charger en moins de 20 secondes, contre 6 minutes avec un matériau non modifié.

La plupart des batteries commercialisées sont faites de Lithium Cobalt, mais le LiFePO4 ne souffre pas de surchauffe, ce qui a déjà entraîné la destruction d’ordinateurs portables ou autres baladeurs mp3. Même s’il est peu cher, le LiFePO4 n’a pas jusqu’à maintenant retenu l’attention car le Lithium Cobalt peut stocker plus de charge pour un poids donné.

Cependant, les chercheurs ont découvert que leur nouveau matériau ne perd pas sa capacité de charge avec le temps alors que les batteries standard ont une durée de vie plus limitée. Cela signifie que l’excès de matériau nécessaire pour les batteries standards pour compenser leur dégradation avec le temps ne sera plus nécessaire, rendant les batteries plus petites et plus légères avec des performances de charge et de décharge très importantes. Charger des batteries en quelques secondes au lieu de plusieurs heures va permettre un changement des habitudes quotidiennes, et donc permettra de nouvelles applications technologiques. En effet, la vitesse d’évolution de l’électronique est limitée par la capacité des batteries. Seulement 360W sont nécessaires pour charger une batterie de téléphone portable de 1Wh en 10 secondes.

Par ailleurs, cette technologie pourrait également bouleverser l’automobile : décharger une batterie en quelques secondes, c’est disposer de la puissance immédiate qui fait défaut aux véhicules électriques actuels. La charger en quelques minutes au lieu d’y passer la nuit permet d’envisager sereinement de longs trajets ; encore faut-il, bien entendu, que le réseau électrique fournisse une puissance suffisante pour permettre cette charge rapide.

En effet, 180kW sont nécessaires pour charger une batterie de 15kWh (batterie pour véhicules hybrides électriques) en cinq minutes, ce qui implique l’utilisation de stations d’énergie électriques pour recharger les voitures hybrides électriques. Certains constructeurs ont cependant déjà investi dans des batteries à charges rapide. Utilisant la technologie d’Altair Nanotechnologies, Phoenix Motorcars a construit un prototype de voiture électrique, autonome sur 160 km, pouvant être rechargée en seulement 10 minutes. Selon Ceder, de telles batteries pourraient être sur le marché d’ici trois ans.

On voit donc que les nanotchnologies, qui sont déjà en train de bouleverser la médecine, la biologie et l’électronique vont également permettre des ruptures technologiques décisives dans les domaines tratégiques de l’énergie et des véhicules propres.

Dans ce contexte, on ne peut que se réjouir du lancement, il y a quelques jours, du projet GIANT -Grenoble Isère Alpes NanoTechnologies, dont l’ambition est de faire de MINATECH un pôle scientifique mondial équivalent au célèbre MIT américain. Ce projet GIANT, qui est porté par les acteurs scientifiques et universitaires de la région, a été lancé en 2006, sous l’impulsion de Jean Therme, directeur du CEA (commissariat à l’énergie atomique) Grenoble.

Il repose sur l’alliance d’acteurs locaux du secteur de la recherche, des grandes écoles et des universités et du monde industriel (grandes entreprises tout autant que start-up), autour de trois axes : les micro et nanotechnologies, les nouvelles technologies de l’énergie et les biotechnologies. GIANT rassemble aujourd’hui 6 000 chercheurs et 6 000 étudiants. Les objectifs visés, à six ans, consistent à atteindre 8 000 chercheurs, 10 000 étudiants, 5 000 publications et 350 brevets par an, avec un budget annuel de 1 milliard d’euros.

Jean Therme, initiateur du projet et directeur du CEA Grenoble, a par ailleurs annoncé un futur "Minatec" de l’énergie qui devrait réunir 3000 chercheurs sur 100000 m2. Il aura vocation à soutenir la production de capteurs solaires, à élaborer les véhicules à basse consommation et à développer une filière de la batterie.

La France, qui a su développer un pôle de compétence et d’excellence de niveau mondial dans ce domaine des nanotechnologies, doit absolument poursuivre et accroître son effort au cours des prochaines années car il ne fait à présent plus de doute que les nanotechnologies vont permettre, dans cinq secteurs clés, l’environnement, les sciences de la vie, les technologies de l’information, l’énergie et les transports, des sauts technologiques majeurs.

Source : René Trégouët

Enoncés il y a plus de 80 ans, les principes de la Mécanique Quantique continuent à fasciner le grand public, tant ils semblent contraires à l'intuition du monde physique que développe chacun d'entre nous. Pourtant, si on les envisage du point de vue de l'information traitable par une machine miniaturisée à l'extrême, où chaque bit d'information doit être exprimé avec la plus petite énergie possible, ces principes quantiques apparaissent, de façon surprenante, bien plus naturels et rationnels que ceux de la mécanique classique.

Le Center for Responsible Nanotechnology (CRN), un think tank consacré aux enjeux sociaux et environnementaux des nanotechnologies, nous avait déjà proposé, en 2006, une série d’essais tout à la fois effrayants et stimulants sur les perspectives offertes par les nanotechnologies. Leur nouvelle compilation est à la fois un peu décevante et caricaturale, moins visionnaire et influencée par les thérories transhumanistes, mais aussi plus concrète et plus plausible.

En 2007, le CRN a en effet proposé à plus de 50 experts du monde entier d’élaborer, collectivement, une série de scénarios partant du postulat que l’on pourra, d’ici 15 ans, disposer d’usines personnelles de fabrication d’objets à l’échelle moléculaire permettant d’amplifier dans l’infiniment petit ce qu’autorisent d’ores et déjà les imprimantes 3D.

Pour le think tank, les problèmes seraient plutôt à chercher du côté des changements profonds que l’industrialisation des nanotechnologies va entraîner, d’un point de vue géopolitique, économique, social, environnemental et militaire. Avec un focus tout particulier sur les enjeux posés en matière de brevetabilité, et d’interopérabilité, comme si les problèmes soulevés étaient moins d’ordre scientifique que politique.

Le “Libre” fera-t-il le lit de la guerre ?
L’un des scénarios imagine qu’en étendant le mouvement “open source” à la fabrication de nano-objets “libres” -afin que tout un chacun puisse en fabriquer, et les modifier-, la section consacrée aux imprimantes 3D devient, dans les années 2010, l’une des plus consultées sur eBay. Las : la démocratisation est telle que des terroristes s’en servent pour créer des myriades de micro-drônes qui s’attaquent à certaines unités américaines (encore) présentes au Moyenn-Orient, et déversent des agents biochimiques dans des villes américaines.

Les autorités commencent dès lors à vouloir encadrer l’utilisation de telles “nanofabriques” et à interdire certaines manipulations moléculaires, au risque d’entraver la recherche scientifique. Les fabricants sont obligés d’utiliser des matériels aux fonctions bridées afin de contrôler la prolifération des nanos, et des communautés “underground” se multiplient afin de pouvoir continuer à créer leurs objets libres. A terme, les USA finissent par déployer, secrètement, un bouclier de défense nanotechnologique sur leur territoire, composé de “poussières intelligentes” et destiné à espionner l’ensemble de la population.

Un autre scénario se demande ce qu’il arriverait si les populations de pays du Moyen-Orient étaient décimées par des nano-drones, sans que l’on sache qui est à l’origine de l’attaque. A la manière de la prolifération nucléaire, les experts imaginent une dissémination d’armes fabriquées à l’échelle moléculaire. Ou comment les nanos, plutôt que de s’illustrer en matière de lutte contre la pauvreté ou le réchauffement climatique, déboucheraient sur une troisième guerre mondiale.

Jusqu’où pourra-t-on (dé)réguler les “fabriques” ?
Un autre scénario, plus économique, imagine que même vendues à quelques centaines de dollars, les premières imprimantes 3D ne peuvent concurrencer la main-d’oeuvre bon marché des pays asiatiques… jusqu’à ce que l’envolée du cours du pétrole et autres taxes carbone incitent finalement les gens à créer eux-mêmes leurs propres produits. Hackers et start-ups boosteraient ainsi l’ère de la “fabrique personnelle“, et des standards ouverts seraient adoptés pour faciliter l’interopérabilité des composants, à la manière de ce qui s’est passé pour l’internet.

Dans le même temps, la volonté de certains Etats d’encadrer et réguler les applications médicales de cette révolution entraînerait le développement d’un tourisme sanitaire avec des malades allant tester de nouveaux traitements expérimentaux dans des pays moins regardants.

Le problème pourrait être accentué en cas de “sainte coalition” des opposants aux nanos. L’un des scénarios imagine ainsi que, même si les scientifiques avançaient que l’impact positif des nanotechnologies sur le réchauffement climatique serait supérieur aux risques posés par les nanomatériaux, les anti-nanos, associés à des groupes de pression religieux, professionnels de santé et industriels “traditionnels” pourraient bloquer la R&D.

Des “fabriques” pour sauver le monde
La brevetabilité des molécules pourrait elle aussi sérieusement entraver le développement de telles technologies, ainsi que celui des pays pauvres. Qu’adviendrait-il en effet de ces pays qui, après avoir commencé à filtrer leur eau potable au moyen de nanofiltres, se verraient poursuivis en justice par des firmes américaines prétendant en posséder les brevets ?

Pour le CRN, le risque de fracture nanotechnologique entre riches possédants et pauvres utilisateurs pourrait entraîner une balkanisation du monde, et des conflits diplomatiques, économiques et sociaux.

Ne reculant devant aucun catastrophisme, l’un des scénarios envisage l’hypothèse que, du fait du réchauffement climatique -qui facilite la transmission à l’homme de maladies animales-, un virus décime 10% de la population chinoise. Les produits “made in China” ne connaissant plus de frontière, la maladie pourrait contaminer le monde entier, provoquant la mise sous quarantaine de la Chine, donc la chute du dollar et une crise économique mondiale.

Mais les populations profiteraient néanmoins des nanofabriques pour réapprendre à vivre localement, indépendamment des grands circuits marchands et mondialisés. L’ère de l’usine personnelle pourrait commencer et, un siècle et demi après la révolution industrielle, ramener la révolution à la maison.

Le CRN note cela dit que les politiques se demanderaient dès lors que faire d’un monde où les gens peuvent produire à peu près tout ce qu’ils veulent et où ils auraient beaucoup moins besoin des autres, ou en tout cas des industriels.

1. Survivre au désastre
Faute de régulation, le développement des nanos entraîne un accident environnemental et sanitaire majeur débouchant sur un ralentissement tout aussi majeur de la R&D, et une méfiance accrue de la population.

2. Discuter, co-réguler
Les systèmes de contrôle et de régulation sont bien en place et protègent les citoyens des risques sanitaires et sociaux, mais ralentissent d’autant la R&D, et la diffusion des nanotechnologies.

3. Progressons “ensemble”
Les apports des nanotechnologies aux secteurs (et aux problèmes) de l’énergie sont tels que le fossé se creuse entre les pays pauvres qui n’ont pas les moyens de s’en doter, et les pays développés.

Le Nanomètre
L’un des objets de ce projet était en effet d’élaborer un Nanomètre, sorte de baromètre destiné à aider les chercheurs et industriels à anticiper les risques auxquels ils pourraient être -ou seront- confrontés.