Un revêtement nanoparticulaire pourrait améliorer l’efficacité des panneaux solaires sous-marins.
Les panneaux solaires sous-marins se développent lentement en raison des défis liés à l’encrassement biologique et aux obstacles d’entretien. Plus les panneaux solaires restent submergés, plus ils sont recouverts d’algues, de bernacles et d’autres microbes marins cherchant une surface sûre sur laquelle se poser.
Des ingénieurs de l’Université technique du Danemark ont démontré comment une formule de revêtement unique peut prévenir l’encrassement biologique tout en optimisant la transparence afin que le revêtement ne compromette pas l’absorption solaire. Ce revêtement peut améliorer considérablement les performances des véhicules sous-marins sans pilote (UUV) et des véhicules autonomes sous-marins alimentés par énergie solaire (AUV), qui sont utilisés pour des missions prolongées en mer où le ravitaillement est impossible. La recherche a été financée par la Marine américaine.
Véhicule autonome sous-marin alimenté par énergie solaire. Image utilisée avec la permission de National Science Foundation
La barrière contre l’encrassement biologique pour les performances des panneaux solaires sous-marins
Les panneaux solaires sous-marins sont prometteurs pour capter l’énergie solaire en environnement marin, mais ils rencontrent d’importants défis liés à l’encrassement biologique, à l’entretien et à la préservation de la transparence.
L’encrassement biologique est courant pour tout équipement fonctionnant dans l’eau, comme les machines des stations d’épuration. Les applications d’équipements submergés, telles que les panneaux solaires sous-marins, sont soumises à une accumulation particulièrement tenace d’organismes tels que les algues, les bernacles et les bactéries. Les plates-formes statiques courent un risque inhabituellement élevé d’encrassement qui peut compromettre leur fonctionnalité, et même les UUV et AUV sont sujets à l’accumulation malgré la friction générée par leur mobilité. L’encrassement biologique réduit la pénétration de la lumière et augmente la rugosité de la surface, diminuant la production d’énergie globale et rendant les panneaux solaires submergés des solutions énergétiques sous-optimales.
Étapes du processus d’encrassement biologique en environnement marin. Image utilisée avec la permission de Romeu et Mergulhão
L’entretien des panneaux solaires sous-marins est également problématique. Les panneaux déployés en environnement marin nécessitent un nettoyage fréquent et des interventions mécaniques pour enlever l’encrassement biologique, augmentant ainsi les coûts opérationnels. Même lorsque l’entretien est régulièrement effectué, les environnements sous-marins peuvent accélérer la corrosion des matériaux des panneaux et l’usure mécanique. Des revêtements avancés comme les matériaux antifouling ont été développés, mais ceux-ci tendent à se dégrader avec le temps, rendant le déploiement à long terme difficile.
Un autre défi majeur est de maintenir la transparence, car l’eau absorbe la lumière du soleil à différentes longueurs d’onde, et les sédiments ou matières organiques peuvent troubler l’eau, réduisant encore l’efficacité. Le déploiement de panneaux solaires sous-marins est déjà limité à des profondeurs très faibles. Plus de 50 % de l’énergie lumineuse visible est absorbée au cours des 10 premiers mètres de profondeur. Même un encrassement biologique minimal peut aggraver la difficulté de capter efficacement l’énergie solaire lorsque même les faibles profondeurs océaniques la réduisent.
L’efficacité des pigments solubles dans l’eau de mer à l’échelle nanométrique
Des scientifiques de l’Université technique du Danemark ont développé un revêtement pour prévenir l’encrassement biologique tout en préservant la transparence afin que les panneaux solaires puissent absorber facilement la lumière.
Le composant unique de la formule est constitué de pigments solubles dans l’eau de mer de taille nanométrique dans un liant à polissage rapide. La taille des pigments est le secret de l’efficacité du revêtement. Les pigments nanométriques ont une densité de particule supérieure à celle des pigments de plus grande taille, rendant ainsi l’effet de polissage plus rapide.
Dans ce contexte, l’effet de polissage fait référence à l’érosion ou à la décomposition progressive du revêtement lorsqu’il est exposé à l’eau de mer, un processus contrôlé et bénéfique. Le revêtement intègre des pigments nanométriques solubles dans l’eau de mer et un biocide au sein d’un système de liant à polissage rapide. Lorsque le revêtement entre en contact avec l’eau de mer, les pigments se dissolvent, créant une couche poreuse qui permet à l’eau de mer de diffuser à l’intérieur du revêtement. Cela déclenche la libération de composés biocides qui aident à prévenir l’encrassement biologique. Les chercheurs ont mené un essai de 12 semaines et ont constaté que le liant SA-R offrait la protection la plus efficace contre l’encrassement.
Comparaison des résultats d’encrassement au cours de la période d’essai de 12 semaines. Image utilisée avec la permission de Rajagopalan et Kiil
Alors que l’eau de mer continue d’interagir avec le liant, elle provoque une hydrolyse, une réaction chimique qui érode lentement le matériau. Cette érosion est essentielle au mécanisme de auto-polissage. À mesure que la couche supérieure du revêtement s’usent, elle expose des couches fraîches en dessous, qui contiennent plus de composés biocides et de pigments. Ce renouvellement constant garantit que le revêtement maintient ses propriétés antifouling au fil du temps sans nécessiter de nettoyage mécanique.
Après des tests initiaux au Danemark, les chercheurs ont mené des essais supplémentaires en Floride. Ils ont découvert que les panneaux solaires pouvaient maintenir presque 100 % de fonctionnement pendant 13 semaines.
Implications
L’impact potentiel pourrait être plus large que l’optimisation des performances des UUV et AUV. Si les panneaux solaires sous-marins peuvent rester exempts d’encrassement, nous pourrions assister à une nouvelle course pour installer des panneaux solaires en milieux marins—et ils n’auront même pas besoin d’un nettoyage mécanique.