Du bois transformé en matériau solaire avancé, capable de stocker et convertir l’énergie : une avancée majeure pour l’énergie durable

Une équipe de chercheurs chinois a récemment franchi une étape importante dans le domaine des matériaux énergétiques en développant un nouveau type de composite à base de bois de balsa. Ce nouveau matériau est capable de capturer l’énergie solaire, de la stocker sous forme de chaleur et de la convertir en électricité de manière efficace et durable. Une innovation qui permet de s’affranchir de procédés coûteux et polluants et qui ouvre la voie à des systèmes énergétiques plus propres, plus durables et potentiellement industrialisables à grande échelle.

Le balsa, une architecture anisotrope particulièrement intéressante

Le choix du bois de balsa s’explique par la structure intrinsèque de cette essence. Le balsa présente en effet un réseau de microcanaux alignés de manière longitudinale. Afin d’exploiter pleinement cette caractéristique, les chercheurs ont tout d’abord procédé à une délignification du bois, éliminant partiellement la lignine, afin d’obtenir une matrice poreuse hautement anisotrope. Le « squelette » cellulosique ainsi obtenu permet d’augmenter significativement la porosité du matériau, créant un support idéal pour l’intégration de fonctions énergétiques. Le bois de balsa ainsi traité s’apparente donc à une plateforme tridimensionnelle légère et structurée, adaptée à la conduction thermique directionnelle.

Plusieurs composants ont ainsi pu être introduits au sein de cette matrice :

• du phosphorène noir, matériau semi-conducteur bidimensionnel présentant une forte absorption sur un large spectre solaire ;
• une couche basée sur des complexes tannin-Fe³⁺ permettant d’améliorer la stabilité chimique et l’adhésion au niveau des interfaces ;
• des nanoparticules d’argent contribuant à des effets plasmoniques renforçant l’absorption lumineuse ;
• des chaînes alkyles greffées en surface, qui confèrent au matériau un caractère superhydrophobe.

Au final, les chercheurs ont ainsi obtenu un composite hybride alliant propriétés optiques, thermiques et de surface. L’ingénierie d’interface a joué ici un rôle déterminant en assurant la compatibilité entre les phases organiques et inorganiques, tout en limitant les phénomènes de dégradation.

Des performances impressionnantes

Grâce au chargement d’acide stéarique dans les microcanaux, le matériau ainsi développé agit comme un composite à changement de phase (CPCM), capable d’absorber et de restituer de la chaleur via des transitions solide-liquide. Les performances mesurées sont significatives : la capacité de stockage thermique annoncée est d’environ 175 kJ·kg⁻¹, une valeur qui se situe dans la gamme des matériaux à changement de phase conventionnels. Les chercheurs soulignent également une réduction marquée du phénomène de surfusion, ce qui apporte une meilleure reproductibilité des cycles thermiques, ainsi qu’une forte conductivité thermique axiale grâce à l’orientation des microcanaux du bois. Sur le plan de la conversion solaire, le composite atteint une efficacité photothermique de l’ordre de 91 %. Une performance qui résulte de la combinaison de plusieurs mécanismes : l’absorption à large bande, les effets plasmoniques induits par les nanoparticules métalliques, et le transport thermique facilité par la microstructure anisotrope.

Au-delà du stockage thermique, l’étude publiée dans la revue Advanced Energy Materials, démontre la possibilité d’un couplage avec un dispositif thermoélectrique. La chaleur accumulée dans le matériau, notamment après irradiation solaire, génère en effet un gradient thermique exploitable pour produire de l’électricité. Dans les conditions expérimentales (irradiation standard équivalente à celle d’un soleil), une tension électrique maximale de 0,65 V a été obtenue. Cette valeur, bien que modeste, valide le principe d’une conversion solaire-thermique-électrique intégrée au sein d’un système unique. L’intérêt de cette approche réside dans la capacité à prolonger la production d’énergie au-delà des périodes d’ensoleillement, en s’appuyant sur le stockage thermique.

Il faut également noter que cette étude se distingue par la prise en compte des contraintes environnementales. Habituellement, les matériaux photothermiques sont en effet sensibles à l’humidité, à l’encrassement et à la dégradation biologique. Le nouveau composite à base de bois de balsa a donc été développé en veillant à répondre à ces contraintes et à limiter les phénomènes de dégradation sur le long terme.

Un matériau solaire plus propre et provenant d’une ressource renouvelable

Cette innovation vient donc concurrencer les matériaux photothermiques existants (comme le carbone poreux ou le biochar), la plupart étant obtenus par carbonisation à haute température. En évitant ce procédé, l’approche décrite dans cette nouvelle étude permet de réduire l’énergie nécessaire à la fabrication du matériau tout en utilisant une ressource renouvelable et abondante. Elle s’inscrit ainsi dans une logique de développement de matériaux énergétiques plus durables et potentiellement compatibles avec une production à grande échelle.

Si les résultats obtenus sont prometteurs, plusieurs verrous subsistent toutefois avant une éventuelle industrialisation. La stabilité à long terme de certains composants, notamment le phosphorène, reste un point de vigilance. Par ailleurs, les performances électriques demeurent encore limitées et nécessiteront des optimisations pour des applications à plus forte puissance.

Néanmoins, cette approche ouvre des perspectives intéressantes pour le développement de matériaux intégrés, capables d’assurer plusieurs fonctions énergétiques au sein d’une même architecture. Les applications envisagées concernent notamment les systèmes solaires hybrides, les matériaux de construction énergétiques et les dispositifs autonomes de faible puissance.