Des cellules photovoltaïques à micro-ondes avec des métamatériaux

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Jusqu’ici, les métamatériaux ont surtout fait parler d’eux avec des dispositifs d’invisibilité dans le domaine des micro-ondes. Mais un groupe de chercheurs de l’université Duke aux États-Unis vient de montrer qu'ils peuvent servir à réaliser des sortes de cellules photovoltaïques sensibles à ces mêmes longueurs d’onde.

Les cellules photovoltaïques en métamatériaux peuvent être combinées à volonté ou presque pour capter de l'énergie sous forme de micro-ondes. On en voit cinq sur cette image, qui produisent un courant électrique d'une tension de 7 V avec un rendement de 36,8 %. Versatile, un dispositif en métamatériaux pourrait même servir à exploiter des ondes sonores en plus des émissions micro-ondes parasites. © Université Duke

Les métamatériaux peuvent servir à fabriquer des superlentilles, et on attend d’eux qu’ils nous permettent de réaliser ce rêve de la science-fiction qu'est l’invisibilité. Mais en attendant, les physiciens continuent d’explorer le potentiel de ces matériaux composites artificiels étudiés essentiellement après la seconde guerre mondiale, et destinés initialement à manipuler les micro-ondes.
Un groupe de chercheurs de l’université Duke vient de montrer qu'ils peuvent transformer les micro-ondes en énergie électrique. Il est donc possible de fabriquer l’équivalent des cellules photovoltaïques. Le dispositif en métamatériaux qu’ils ont construit peut bien sûr exploiter une source émettant dans le domaine des micro-ondes, comme pour le Wi-Fi. Selon les physiciens, il pourrait bientôt être incorporé dans un téléphone portable qui se rechargerait automatiquement près d’un émetteur micro-onde dédié.

Deux étudiants en génie électrique de l'université Duke, Alexander Katko (à gauche) et Allen Hawkes, montrent un guide d'onde contenant une seule cellule en métamatériaux, qui fournit assez d'énergie pour alimenter une Led verte. © Université Duke

Le principe renvoie aux projets de centrales solaires en orbite, dont l'ingénieur Peter Glaser (à ne pas confondre avec le prix Nobel Donald Glaser, l’inventeur de la chambre à bulles) a été l’un des pionniers lorsqu’il a proposé sérieusement ce concept en 1968.

De l'énergie solaire avec des métamatériaux Pour Peter Glaser, il suffirait de mettre en orbite géostationnaire, sur la fameuse orbite de Clarke, des stations spatiales constituées de capteurs solaires de plusieurs kilomètres carrés de surface pour que l’Humanité puisse bénéficier d’une source d’énergie inépuisable et écologique. Ce serait donc le moyen idéal pour assurer un développement durable. L’énergie capturée en orbite serait renvoyée vers le sol sous forme de faisceaux de micro-ondes, où elle serait captée par des panneaux de cellules photovoltaïques micro-ondes occupant là aussi plusieurs kilomètres carrés.
Vers la fin du XXI^e siècle, si la production commerciale d’électricité au moyen de la fusion contrôléen’a pas été possible malgré les projets Iter et Demo, peut-être aura-t-on concrétisé les idées de Peter Glaser avec des métamatériaux. En effet, le dispositif des chercheurs de l’université Duke a un rendement de 37 %, ce qui est bien supérieur à celui des cellules solaires ordinaires, et comparable à celles utilisant des boîtes quantiques.