Etant nouveau sur ce forum, j'espère ne pas faire trop dans le hors sujet en postant ce sujet ici mais le sujet sur les piles à eau m'a un peu inspiré.
Je vais donc vous parler ici des Gastrobots.
Il s'agit d'un sujet d'étude très sérieux qui consiste à développer des automates capables de se "nourir" et d'en tirer de l'énergie directement sous forme d'électricité. Il y a mêm des articles scientifiques qui détaille le contenu énergétiques de différent "menus".
comment est-ce possible?
Simplement parce que la nature fait des merveilles parfois! La "technologie" utilisée est celle des piles à combustibles microbiennes.
Il s'agit comme le nom l'indique de piles électriques qui ont la particularité d'utiliser des micro-organismes pour catalyser les réaction d'oxydo-réduction (techniquement on peut aussi faire ça avec des enzymes).
En gros des bactéries à l'anode vont oxyder de la "nouriture" et générer des électrons qui vont pouvoir alimenter un circuit (avant d'être consommé par une réaction de réduction, typiquement la réduction de l'oxygène de l'air).
Les densités de puissance obtenues ne sont pas énorme (de l'ordre de la centaine de Watts par mètre cube de réacteur) mais ça suffit à alimenter des petites choses.
Si le sujet vous intéresse vous pouvez jeter un coup d'oeil aux liens suivant que j'ai rapidement dégoté via google:
http://www.eng.usf.edu/~wilkinso/gastrobotics/
http://en.wikipedia.org/wiki/Gastrobot
Plus de détails sur les piles microbiennes: http://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_fuel_cell
On peut les utiliser pour alimenter de petits jouets: http://www.sciencephoto.com/media/339207/view
L'application la plus pratique est réalisée par l'armée américaine pour alimenter des balises capables d'émettre des infos collectées par des capteurs à des endroits peu accessibles sur les océans (en tout cas c'est le projet, et à ma connaissance ça ne marche pas trop mal)
http://www.nrl.navy.mil/techtransfer/fs.php?fs_id=ENE04
J'ai également trouvé des liens commerciaux sur amazon qui propose de petit kits à monter soit même. Mais tant qu'à faire si vous êtes intéressés il y a des vidéo et des tutoriels pour en fabriquer vous même (si ça vous intéresse je peux même vous raconter comment j'ai monté les miennes à partir de terreau pendant ma thèse).
Bref, cela peut alimenter pas mal de discussion allant des aspects très technique jusqu'aux considération philosophiques: allons nous devoir un jour partager notre assiette avec des robots. Heureusement, on peut imaginer que les hommes et les machines n'auront alors pas le même régime alimentaire.
16 réponses à ce sujet
#2
Esprit
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Posté 30 mai 2012 - 02:54
Moi ça m'intéresse que tu donnes un peu plus d'infos sur celles que tu as montées. Ainsi que les capacités de ces charmantes batteries biologiques.
Avec un peu de chiffres, par exemple. Capacité, coùt, etc...
J'avais vu il y a un moment un robot qui attrapait les limaces dans les jardins pour s'en "nourrir". Mon père adorerait que je lui en fasse un...
Je trouvais le principe pas mal intéressant.
Avec un peu de chiffres, par exemple. Capacité, coùt, etc...
J'avais vu il y a un moment un robot qui attrapait les limaces dans les jardins pour s'en "nourrir". Mon père adorerait que je lui en fasse un...
Je trouvais le principe pas mal intéressant.
Esprit
*Rêve d'en caser un dans un robot*
#3
Mike118
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Staff Robot Maker
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Posté 30 mai 2012 - 03:16
Moi ça m'intéresse que tu donnes un peu plus d'infos sur celles que tu as montées. Ainsi que les capacités de ces charmantes batteries biologiques.
Avec un peu de chiffres, par exemple. Capacité, coùt, etc...
J'avais vu il y a un moment un robot qui attrapait les limaces dans les jardins pour s'en "nourrir". Mon père adorerait que je lui en fasse un...
Je trouvais le principe pas mal intéressant.
moi j'ai vu un gobe mouche comme ça x) je pense que c'est plus facile d'attraper une mouche ( avec un appas collant ^^ ) qu'une limace
( ou du moins ça met moins de temps x) ) Par contre je veux bien voir la tête du gobeur de limaces ! De plus oui en effet il serait intéressant d'avoir plus d'info : capacité coût durée de vie ...
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#4
julkien
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Posté 30 mai 2012 - 05:38
J'avais vu il y a un moment un robot qui attrapait les limaces dans les jardins pour s'en "nourrir". Mon père adorerait que je lui en fasse un...
Je trouvais le principe pas mal intéressant.
j'avoue que l'idees me plait surtout que mes tomates se font agresse par les limace,escargot
#6
Mel
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Posté 30 mai 2012 - 10:59
Hé bien, je suis content de voir que des gens s'intéressent à ce sujet.
Je vais essayer de vous donner plus de détails sur ce qui est techniquement faisable.
Tout d'abord, mon expérience personnelle est liée à mes travaux de thèse où j'ai surtout cherché à comprendre le système et à améliorer les électrodes utilisées. Tout ça pour dire que les piles que j'ai montées moi-même sont loin d'être optimisées pour la performance et elles ont surtout été fabriquées avec les moyens du bord (la recherche française n'offre pas toujours tous les moyens qu'on veut).
Il faut savoir qu'il s'agit d'un domaine encore en plein développement, les puissances obtenues sont loin d'être équivalentes à celles de nos piles électriques classiques.
Dans mon message initial je mentionne des densités de puissance de l'ordre de quelques centaines de Watts par mètre cube. En gros ça veut dire qu'il faudrait une pile de la taille d'un frigo pour alimenter une ampoule de 100W. Apparemment ça n'empêche pas certains labo d'arriver à alimenter des petits robots avec mais il ne faut pas s'attendre à des miracles pour autant.
Je vais commencer par vous expliquer comment en fabriquer une simplement et je vais ensuite détailler tous les aspects sur lesquels on peut jouer pour en améliorer les performances.
Mes premières piles je les ai montées grâce à un tutoriel destiné au grand public, donc techniquement tout le monde peut monter sa pile microbienne. J'étais parti de ce tutoriel (in english sorry): http://www.microbialfuelcell.org/MFC/tutorials.htm
Techniquement pour faire une pile microbienne il faut (comme dans une pile classique):
- une anode qui sera le siège d'une oxydation
- une cathode qui sera le siège d'une réduction
- un pont salin ou une membrane (ou même parfois rien du tout) entre le compartiment anodique et le compartiment cathodique pour assurer l'électroneutralité
- un circuit à alimenter, par défaut une résistance.
L'anode:
Donc il faut une oxydation, et quelque part va falloir mettre des micro-organismes là-dedans pour que ça merite son nom de pile microbienne. D'ailleurs on appelle ça des Piles à Combustibles Microbiennes (Microbial Fuel Cell en anglais), je vais donc utiliser l'acronyme PCM pour pas trop me fouler.
Heureusement des microbes il y en a partout, notamment dans le sol. Mes premières piles je les ai réalisé avec du simple compost... (plus tard j'ai utilisé de l'eau venant de la station d'épuration locale mais en soit ça n'a pas d'importance la sélection naturelle fait tout le boulot).
En effet dans le compost il y a toutes sortes de bactéries (ouais parce que quand je parle de micro-organismes je veux dire bactéries, c'est possible avec des levures mais c'est plus complexe et ça marche moins bien) qui peuvent se nourrir d'à peu près n'importe quoi d'organique. Jusqu'ici rien de bien spécial, des bactéries qui dégradent (oxydent) des trucs en décomposition ce n'est pas bien nouveau. Ce qui est intéressant c'est que si on enlève l'oxygène présent, ces bactéries ne peuvent plus respirer (oui je sais ça tombe un peu sous le sens), sauf que certaines bactéries sont capable de respirer autre chose que de l'oxygène, comme par exemple... une électrode. Il faut s'avoir que l'oxygène est juste l'accepteur terminal, le dernier maillon d'une chaine de transfert d'électrons. L'oxygène ne sert qu'à se débarasser des électrons issus de la dégradation de la matière organique (au passage la cellule vivante en tire de l'énergie, c'est tout l'intérêt pour elle). Donc si certaines bactéries sont capacles de donner leurs électrons à une électrode elles seront mieux adaptées à leur environnement et se développeront sous la forme d'un biofilm sur l'électrode. L'électrode en question doit juste être un matériaux conducteur, si possible inerte et qui n'est pas toxique pour les bactéries (le cuivre par exemple n'est pas conseillé du tout puisque très toxique pour ces petites bêtes). Typiquement l'acier inoxydable est le plus simple à obtenir. En thèse j'ai utiliser des électrodes à base de carbone (carbone vitreux ou graphite) mais ce n'est pas forcément ce qu'il y a de plus simple à trouver.
Pour ce qui est du compost en soit, j'avais tendance à en faire une "extraction": en gros je laissais macérer du compost dans de l'eau un peu salée (5 g de sel par litre d'eau) pour une nuit, puis je filtrais le tout pour ne garder que la partie liquide (c'est plus simple pour l'accessibilité de la matière organique pour les bactéries).
La Cathode:
Maintenant que l'anode est prête il faut une cathode pour permettre aux électrons issues de l'anode de circuler. Le plus simple là est la réduction de l'oxygène de l'air. L'oxygène peut assez simplement se réduire à la cathode. En fait pas si simplement, en général un catalyseur genre platine est plus conseillé, ça permettra d'avoir une différence de potentielle entre les bornes de la pile plus importante. Mais pour commencer de l'inox ou des électrodes en carbone suffisent. Techniquement on peut utiliser des réactions chimiques plus complexes (typiquement avec du permanganate de potassium ou du ferricyanure, mais c'est pas très green comme approche).
Le séparateur:
Avec une cathode connectée à une anode via une résitance on peut avoir un flux d'électrons. On perd une charge négative à l'anode pour l'apporter à la cathode. D'une manière ou d'une autre une contre-charge doit permettre d'assurer l'électroneutralité (et fermer complètement le circuit). Pour cela l'anode et la cathode doivent pouvoir communiquer (pour permettre à une charge négative de quitter la cathode pour l'anode ou une charge positive de quitter l'anode pour la cathode). Dans mon cas j'utilisais un simple pont salin (voir la photo plus loin) fait avec un tube plein d'agar agar (3g/L dans une solution de sel de table 5g/L). On peut aussi utiliser une membrane échangeuse de cation ou d'anion mais c'est un peu trop spécifique pour débuter (et souvent cher). Techniquement on peut s'affranchir du pont salin ou de la membrane si la réaction anodique et cathodique sont compatibles. A la cathode on utilise souvent du ferricyanure et ou du permanganate de potassium et ça les bactéries aiment pas trop du coup vaut mieux les garder séparés. Avec la réduction de l'oxygène on peut se permettre de ne pas avoir de séparateur. C'est ce qui se fait notamment danc ce qu'on appelle les piles sédimentaires. Il s'agit de dispositifs dont l'anode est fichées dans des sédiments marins (de la vase en gros) et la cathode est un peu plus haut, près de la surface de la mer où l'oxygène peut diffuser. Comme l'oxygène ne diffuse pas très loin dans l'eau une couche relativement faible d'eau entre l'anode et la cathode est suffisante pour empêcher l'oxygène d'atteindre les organismes à l'anodes (oui parce que s'il y a de l'oxygène elles préfère respirer l'oxygène que l'électrode en général).
Le circuit
Typiquement on commence avec une résistance assez importante qu'on peut faire diminuer au fur et à mesure. Genre commencer à 1000 ohms et déscendre progressivement vers 500 -250 ohms. J'utilisais un banc de résistance pour faciliter cela. La résistance optimale est celle qui sera égale à la résistance interne du système (je vais y revenir un peu plus loin).
En schéma ça donne ça:
http://imageshack.us/photo/my-images/542/83409119.jpg/
Et voilà une photo d'une de mes première piles:
http://imageshack.us/photo/my-images/692/photo002wzs.jpg/
On peut y voir deux bouteilles connectées par un tube en verre. La bouteille de gauche contient le mélange compost + eau salée (pour la macération je faisait 1 L de compost pour 3 L d'eau salée 5g/L, après filtration 250 mL étaient utilisées dans la petite bouteille). L'anode est connectée via une tube en verre contenant le pont salin à une autre bouteille contenant simplement de l'eau salée (5g/L) dans laquelle une pompe d'aquarium permet d'apporter de l'oxygène (mais en soit on peut faire sans, c'est plus lent mais on perd pas d'énergie dans la pompe).
Une électrode de carbone vitreux était utilisée à l'anode et une électrode de platine à la cathode.
En pratique une fois la pile montée il faut une dizaine de jour pour qu'elle se lance (le temps que l'oxygène résiduel à l'anode soit comsommé et que les bactéries capables de transmettre leurs électrons soient sélectionnées).
Une pile comme ça ne casse pas des briques niveau performance car pas du tout optimisée mais c'est un bon début.
Cela doit pouvoir être facilement reproduit avec des matériaux de récup genre des bouteilles en plastique, un petit tube en PVC pour le pont salin et des chutes d'acier inoxydable (le technicien du labo m'avait récupéré de l'inox sur une vieille imprimante il me semble. L'agar agar se récupère en cuisine (une recherche rapide m'a fait en trouver genre 8g pour 4 euros mais je suis sur qu'on peut trouver mon cher.
donc techniquement pour moins de 10 euros une telle pile doit être possible mais ça va pas encore permettre de faire grand chose (si ce n'est surveiller l'évoluton de potentiel sur le temps.
Comment améliorer le système:
10 euros c'est pas cher pour jouer mais si c'est pour ne rien faire avec sa pile c'est pas génial. Il y a pas mal de trucs qui peuvent être améliorés:
- L'ennemie numéro un est la résistance interne de la pile. Plus elle est élevée plus on perd de la ddp à cause d'elle. Pour la diminuer une chose facile à faire est de limiter la résistivité entre les deux électrodes. Pour cela on peut essayer de rapprocher l'anode et la cathode un maximum. Avec le design sur la photo on perd énermément, mais en utilisant une membrane; avec des compartiment très proches les uns des autres on peut déjà faire de gros progrès. LA première photo de ce lien: http://www.nsf.gov/eng/cbet/achieve/7643/7643_logan2007.htm montre une telle pile avec une membrane échangeuse de protons (PEM = proton exchange membrane).
Avec des électrolytes concentrés (les solutions salines à l'anode et à la cathode) on peut aussi améliorer la conductivité mais il faut s'assurer que ce ne soit pas trop concentrés pour les microbes de l'anode (avec de la patience on peut sélectionner des espèces résistantes).
- la réaction cathodique (surtout le potentiel où elle intervient) peut être améliorée, par exemple en ayant une solution un peu acide (en ajoutant du vinaigre par exemple). La réduction de l'oxygène étant pH dépendante, le plus acide sera le mieux, mais là encore sans bonne membrane (et mêm avec puisque les protons peuvent souvent diffuser au travers) il faut s'assurer que l'anode survit à des pH faibles (ça se fait, faut prendre le temps de la sélection encore, les chercheurs qui font ça utilise des échantillons naturels très acides contenant des bactéries adaptées à la place de notre compost).
- le design en général peut être amélioré en jouant sur la disposition des électrodes les unes par rapports au autres.
voila une photo d'une pile sédiementaire réalisée par un collègue
http://imageshack.us/photo/my-images/12/p1603101027.jpg/
- plus la surface d'électrode sera importante et plus le courant produit sera important. Aussi il devient intéressant d'avoir des électrodes poreuses avec une large surface (typiquement des feutres de carbone ou n'importe quelle matrice poreuse et conductrice d'électricité).
La pile la plus performante avait des électrodes plate en graphite distante de 3 cm de 22 cm2 chacune et séparées par une membrane. J'arrivait à un débit de 2.35 mA produisant au final 42.4 W/m3 de réacteur pour une ddp de 0.6V.
C'est pas énorme mais on peut en connectr plusieur en série pour augmenter la ddp et en parallèle pour augmenter le courant débiter. tout ça conduit évidemment à une pile ayant un volume important.
Les applications pratiques en robotique
C'est un petit peu moins mon domaine mais à ma connaissance y a déjà de petites choses de faites.
Tout d'abord ça marche suffisament pour faire tourner des moteurs comme en témoigne ce blog fait par des collègues de l'université de Toulouse et du CNRS:
http://pcm-lgc.blogspot.com/
En fouinant un peu on peut trouver sur la toile des examples de jouets alimenté par ce genre de pile. J'ai également vu une vidéo pendant une conférence d'un robot qui digérait des mouches et pouvait se déplacer (mais il allait très lentement d'après mes souvenirs).
Il existe des publication scientifiques sur les gastrobots:
Wilkinson, S., “Hungry for Success – Future Directions in Gastrobotics Research”, Industrial Robot Journal, Vol.
28(3), May 18, 2001.
Wilkinson, S., "Gastrobots – Benefits & Challenges of Microbial Fuel Cells in Food Powered Robot Applications"-
J. Autonomous Robots , paper # 99-026, Vol. 9(24), pp. 99-111, 2000.
ces articles en anglais ne sont pas en open access aussi je ne peut pas les joindre sur ce poste mais si ça intéresse quelqu'un je peux leur envoyer les PDFs (y a qu'à m'envoyer un MP).
Un exemple qui marche est le fameux chew chew un petit train qui marche avec une PCM alimentée par du sucre (voir le lien pour gastrobotics dans mon premier post).
j'ai aussi trouvé ce lien avec un robot qui a l'air assez grand. J'ai lu l'article en diagonale, les journalistes ont pas eu l'air d'avoir tout compris mais ça illustre un peu les possibilités:
http://www.treehugger.com/clean-technology/hybrid-robots-microbial-fuel-cell-transforms-polluted-water-into-vegetation.html
De mon point de vue une utilisation réaliste serait de se servir de son bac à compost pour recharger les batteries d'un robots. Transporter la pile sur le robot me semble être une perte d'énergie trop conséquente. ça me donne d'ailleurs des idées et si un jours j'arrive à monter un robot sympa j'essayerait de l'alimenter avec une pile de ce genre.
Enfin pour finir, les PCMs étaient initialement destinées à produire de l'énergie à partir d'eau usée (dans les années 60 la NASA a même considéré en utiliser pour produire de l'électricité à partir des excréments des astronautes) mais les recherches s'orientent de plus en plus sur d'autres système. Par exemple en l'associant avec une plante (qui fournit la matière organique par photosyntèse) des piles microbiennes à plante sont en dévelopement. Mes anciens collègues thésards de l'université de Rennes en parlent dans ce très courts métrage de vulgarisation:
http://www.sciences-en-courts.fr/?page_id=770
Donc voilà un condensé des PCM appliquées à la robotique (dans la limite de mes connaissances et de mes compétences pédagogiques). n'hésitez pas à me poser des questions s'il y a des trucs pas clair.
Je vais essayer de vous donner plus de détails sur ce qui est techniquement faisable.
Tout d'abord, mon expérience personnelle est liée à mes travaux de thèse où j'ai surtout cherché à comprendre le système et à améliorer les électrodes utilisées. Tout ça pour dire que les piles que j'ai montées moi-même sont loin d'être optimisées pour la performance et elles ont surtout été fabriquées avec les moyens du bord (la recherche française n'offre pas toujours tous les moyens qu'on veut).
Il faut savoir qu'il s'agit d'un domaine encore en plein développement, les puissances obtenues sont loin d'être équivalentes à celles de nos piles électriques classiques.
Dans mon message initial je mentionne des densités de puissance de l'ordre de quelques centaines de Watts par mètre cube. En gros ça veut dire qu'il faudrait une pile de la taille d'un frigo pour alimenter une ampoule de 100W. Apparemment ça n'empêche pas certains labo d'arriver à alimenter des petits robots avec mais il ne faut pas s'attendre à des miracles pour autant.
Je vais commencer par vous expliquer comment en fabriquer une simplement et je vais ensuite détailler tous les aspects sur lesquels on peut jouer pour en améliorer les performances.
Mes premières piles je les ai montées grâce à un tutoriel destiné au grand public, donc techniquement tout le monde peut monter sa pile microbienne. J'étais parti de ce tutoriel (in english sorry): http://www.microbialfuelcell.org/MFC/tutorials.htm
Techniquement pour faire une pile microbienne il faut (comme dans une pile classique):
- une anode qui sera le siège d'une oxydation
- une cathode qui sera le siège d'une réduction
- un pont salin ou une membrane (ou même parfois rien du tout) entre le compartiment anodique et le compartiment cathodique pour assurer l'électroneutralité
- un circuit à alimenter, par défaut une résistance.
L'anode:
Donc il faut une oxydation, et quelque part va falloir mettre des micro-organismes là-dedans pour que ça merite son nom de pile microbienne. D'ailleurs on appelle ça des Piles à Combustibles Microbiennes (Microbial Fuel Cell en anglais), je vais donc utiliser l'acronyme PCM pour pas trop me fouler.
Heureusement des microbes il y en a partout, notamment dans le sol. Mes premières piles je les ai réalisé avec du simple compost... (plus tard j'ai utilisé de l'eau venant de la station d'épuration locale mais en soit ça n'a pas d'importance la sélection naturelle fait tout le boulot).
En effet dans le compost il y a toutes sortes de bactéries (ouais parce que quand je parle de micro-organismes je veux dire bactéries, c'est possible avec des levures mais c'est plus complexe et ça marche moins bien) qui peuvent se nourrir d'à peu près n'importe quoi d'organique. Jusqu'ici rien de bien spécial, des bactéries qui dégradent (oxydent) des trucs en décomposition ce n'est pas bien nouveau. Ce qui est intéressant c'est que si on enlève l'oxygène présent, ces bactéries ne peuvent plus respirer (oui je sais ça tombe un peu sous le sens), sauf que certaines bactéries sont capable de respirer autre chose que de l'oxygène, comme par exemple... une électrode. Il faut s'avoir que l'oxygène est juste l'accepteur terminal, le dernier maillon d'une chaine de transfert d'électrons. L'oxygène ne sert qu'à se débarasser des électrons issus de la dégradation de la matière organique (au passage la cellule vivante en tire de l'énergie, c'est tout l'intérêt pour elle). Donc si certaines bactéries sont capacles de donner leurs électrons à une électrode elles seront mieux adaptées à leur environnement et se développeront sous la forme d'un biofilm sur l'électrode. L'électrode en question doit juste être un matériaux conducteur, si possible inerte et qui n'est pas toxique pour les bactéries (le cuivre par exemple n'est pas conseillé du tout puisque très toxique pour ces petites bêtes). Typiquement l'acier inoxydable est le plus simple à obtenir. En thèse j'ai utiliser des électrodes à base de carbone (carbone vitreux ou graphite) mais ce n'est pas forcément ce qu'il y a de plus simple à trouver.
Pour ce qui est du compost en soit, j'avais tendance à en faire une "extraction": en gros je laissais macérer du compost dans de l'eau un peu salée (5 g de sel par litre d'eau) pour une nuit, puis je filtrais le tout pour ne garder que la partie liquide (c'est plus simple pour l'accessibilité de la matière organique pour les bactéries).
La Cathode:
Maintenant que l'anode est prête il faut une cathode pour permettre aux électrons issues de l'anode de circuler. Le plus simple là est la réduction de l'oxygène de l'air. L'oxygène peut assez simplement se réduire à la cathode. En fait pas si simplement, en général un catalyseur genre platine est plus conseillé, ça permettra d'avoir une différence de potentielle entre les bornes de la pile plus importante. Mais pour commencer de l'inox ou des électrodes en carbone suffisent. Techniquement on peut utiliser des réactions chimiques plus complexes (typiquement avec du permanganate de potassium ou du ferricyanure, mais c'est pas très green comme approche).
Le séparateur:
Avec une cathode connectée à une anode via une résitance on peut avoir un flux d'électrons. On perd une charge négative à l'anode pour l'apporter à la cathode. D'une manière ou d'une autre une contre-charge doit permettre d'assurer l'électroneutralité (et fermer complètement le circuit). Pour cela l'anode et la cathode doivent pouvoir communiquer (pour permettre à une charge négative de quitter la cathode pour l'anode ou une charge positive de quitter l'anode pour la cathode). Dans mon cas j'utilisais un simple pont salin (voir la photo plus loin) fait avec un tube plein d'agar agar (3g/L dans une solution de sel de table 5g/L). On peut aussi utiliser une membrane échangeuse de cation ou d'anion mais c'est un peu trop spécifique pour débuter (et souvent cher). Techniquement on peut s'affranchir du pont salin ou de la membrane si la réaction anodique et cathodique sont compatibles. A la cathode on utilise souvent du ferricyanure et ou du permanganate de potassium et ça les bactéries aiment pas trop du coup vaut mieux les garder séparés. Avec la réduction de l'oxygène on peut se permettre de ne pas avoir de séparateur. C'est ce qui se fait notamment danc ce qu'on appelle les piles sédimentaires. Il s'agit de dispositifs dont l'anode est fichées dans des sédiments marins (de la vase en gros) et la cathode est un peu plus haut, près de la surface de la mer où l'oxygène peut diffuser. Comme l'oxygène ne diffuse pas très loin dans l'eau une couche relativement faible d'eau entre l'anode et la cathode est suffisante pour empêcher l'oxygène d'atteindre les organismes à l'anodes (oui parce que s'il y a de l'oxygène elles préfère respirer l'oxygène que l'électrode en général).
Le circuit
Typiquement on commence avec une résistance assez importante qu'on peut faire diminuer au fur et à mesure. Genre commencer à 1000 ohms et déscendre progressivement vers 500 -250 ohms. J'utilisais un banc de résistance pour faciliter cela. La résistance optimale est celle qui sera égale à la résistance interne du système (je vais y revenir un peu plus loin).
En schéma ça donne ça:
http://imageshack.us/photo/my-images/542/83409119.jpg/
Et voilà une photo d'une de mes première piles:
http://imageshack.us/photo/my-images/692/photo002wzs.jpg/
On peut y voir deux bouteilles connectées par un tube en verre. La bouteille de gauche contient le mélange compost + eau salée (pour la macération je faisait 1 L de compost pour 3 L d'eau salée 5g/L, après filtration 250 mL étaient utilisées dans la petite bouteille). L'anode est connectée via une tube en verre contenant le pont salin à une autre bouteille contenant simplement de l'eau salée (5g/L) dans laquelle une pompe d'aquarium permet d'apporter de l'oxygène (mais en soit on peut faire sans, c'est plus lent mais on perd pas d'énergie dans la pompe).
Une électrode de carbone vitreux était utilisée à l'anode et une électrode de platine à la cathode.
En pratique une fois la pile montée il faut une dizaine de jour pour qu'elle se lance (le temps que l'oxygène résiduel à l'anode soit comsommé et que les bactéries capables de transmettre leurs électrons soient sélectionnées).
Une pile comme ça ne casse pas des briques niveau performance car pas du tout optimisée mais c'est un bon début.
Cela doit pouvoir être facilement reproduit avec des matériaux de récup genre des bouteilles en plastique, un petit tube en PVC pour le pont salin et des chutes d'acier inoxydable (le technicien du labo m'avait récupéré de l'inox sur une vieille imprimante il me semble. L'agar agar se récupère en cuisine (une recherche rapide m'a fait en trouver genre 8g pour 4 euros mais je suis sur qu'on peut trouver mon cher.
donc techniquement pour moins de 10 euros une telle pile doit être possible mais ça va pas encore permettre de faire grand chose (si ce n'est surveiller l'évoluton de potentiel sur le temps.
Comment améliorer le système:
10 euros c'est pas cher pour jouer mais si c'est pour ne rien faire avec sa pile c'est pas génial. Il y a pas mal de trucs qui peuvent être améliorés:
- L'ennemie numéro un est la résistance interne de la pile. Plus elle est élevée plus on perd de la ddp à cause d'elle. Pour la diminuer une chose facile à faire est de limiter la résistivité entre les deux électrodes. Pour cela on peut essayer de rapprocher l'anode et la cathode un maximum. Avec le design sur la photo on perd énermément, mais en utilisant une membrane; avec des compartiment très proches les uns des autres on peut déjà faire de gros progrès. LA première photo de ce lien: http://www.nsf.gov/eng/cbet/achieve/7643/7643_logan2007.htm montre une telle pile avec une membrane échangeuse de protons (PEM = proton exchange membrane).
Avec des électrolytes concentrés (les solutions salines à l'anode et à la cathode) on peut aussi améliorer la conductivité mais il faut s'assurer que ce ne soit pas trop concentrés pour les microbes de l'anode (avec de la patience on peut sélectionner des espèces résistantes).
- la réaction cathodique (surtout le potentiel où elle intervient) peut être améliorée, par exemple en ayant une solution un peu acide (en ajoutant du vinaigre par exemple). La réduction de l'oxygène étant pH dépendante, le plus acide sera le mieux, mais là encore sans bonne membrane (et mêm avec puisque les protons peuvent souvent diffuser au travers) il faut s'assurer que l'anode survit à des pH faibles (ça se fait, faut prendre le temps de la sélection encore, les chercheurs qui font ça utilise des échantillons naturels très acides contenant des bactéries adaptées à la place de notre compost).
- le design en général peut être amélioré en jouant sur la disposition des électrodes les unes par rapports au autres.
voila une photo d'une pile sédiementaire réalisée par un collègue
http://imageshack.us/photo/my-images/12/p1603101027.jpg/
- plus la surface d'électrode sera importante et plus le courant produit sera important. Aussi il devient intéressant d'avoir des électrodes poreuses avec une large surface (typiquement des feutres de carbone ou n'importe quelle matrice poreuse et conductrice d'électricité).
La pile la plus performante avait des électrodes plate en graphite distante de 3 cm de 22 cm2 chacune et séparées par une membrane. J'arrivait à un débit de 2.35 mA produisant au final 42.4 W/m3 de réacteur pour une ddp de 0.6V.
C'est pas énorme mais on peut en connectr plusieur en série pour augmenter la ddp et en parallèle pour augmenter le courant débiter. tout ça conduit évidemment à une pile ayant un volume important.
Les applications pratiques en robotique
C'est un petit peu moins mon domaine mais à ma connaissance y a déjà de petites choses de faites.
Tout d'abord ça marche suffisament pour faire tourner des moteurs comme en témoigne ce blog fait par des collègues de l'université de Toulouse et du CNRS:
http://pcm-lgc.blogspot.com/
En fouinant un peu on peut trouver sur la toile des examples de jouets alimenté par ce genre de pile. J'ai également vu une vidéo pendant une conférence d'un robot qui digérait des mouches et pouvait se déplacer (mais il allait très lentement d'après mes souvenirs).
Il existe des publication scientifiques sur les gastrobots:
Wilkinson, S., “Hungry for Success – Future Directions in Gastrobotics Research”, Industrial Robot Journal, Vol.
28(3), May 18, 2001.
Wilkinson, S., "Gastrobots – Benefits & Challenges of Microbial Fuel Cells in Food Powered Robot Applications"-
J. Autonomous Robots , paper # 99-026, Vol. 9(24), pp. 99-111, 2000.
ces articles en anglais ne sont pas en open access aussi je ne peut pas les joindre sur ce poste mais si ça intéresse quelqu'un je peux leur envoyer les PDFs (y a qu'à m'envoyer un MP).
Un exemple qui marche est le fameux chew chew un petit train qui marche avec une PCM alimentée par du sucre (voir le lien pour gastrobotics dans mon premier post).
j'ai aussi trouvé ce lien avec un robot qui a l'air assez grand. J'ai lu l'article en diagonale, les journalistes ont pas eu l'air d'avoir tout compris mais ça illustre un peu les possibilités:
http://www.treehugger.com/clean-technology/hybrid-robots-microbial-fuel-cell-transforms-polluted-water-into-vegetation.html
De mon point de vue une utilisation réaliste serait de se servir de son bac à compost pour recharger les batteries d'un robots. Transporter la pile sur le robot me semble être une perte d'énergie trop conséquente. ça me donne d'ailleurs des idées et si un jours j'arrive à monter un robot sympa j'essayerait de l'alimenter avec une pile de ce genre.
Enfin pour finir, les PCMs étaient initialement destinées à produire de l'énergie à partir d'eau usée (dans les années 60 la NASA a même considéré en utiliser pour produire de l'électricité à partir des excréments des astronautes) mais les recherches s'orientent de plus en plus sur d'autres système. Par exemple en l'associant avec une plante (qui fournit la matière organique par photosyntèse) des piles microbiennes à plante sont en dévelopement. Mes anciens collègues thésards de l'université de Rennes en parlent dans ce très courts métrage de vulgarisation:
http://www.sciences-en-courts.fr/?page_id=770
Donc voilà un condensé des PCM appliquées à la robotique (dans la limite de mes connaissances et de mes compétences pédagogiques). n'hésitez pas à me poser des questions s'il y a des trucs pas clair.
#7
Mike118
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Posté 30 mai 2012 - 11:10
Wouaou! j'y repenserais à deux fois avant de te redemander plus d'infos !
Bon plus sérieusement je vais prendre mon temps pour lire tout ça ^^ (demain à têtre reposée x) 
) et je reviendrais répondre un truc plus constructif ! En tout cs merci pour cette réponse en avance 
EDIT: Bon je suis revenu à la charge plus vite que prévu =) Vraiment merci pour toutes ces info ! En plus même si la taille peut faire peur au premier regard ça se lit super bien !
Bon plus sérieusement je vais prendre mon temps pour lire tout ça ^^ (
) et je reviendrais répondre un truc plus constructif ! En tout cs merci pour cette réponse en avance EDIT: Bon je suis revenu à la charge plus vite que prévu =) Vraiment merci pour toutes ces info ! En plus même si la taille peut faire peur au premier regard ça se lit super bien !
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#8
Esprit
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Posté 31 mai 2012 - 10:03
Wouaou! j'y repenserais à deux fois avant de te redemander plus d'infos !
Pareil... Je n'ai pas vraiment le temps de lire ça en détail mais je le ferai dès que possible. J'ai survolé et ça a l'air super complet et vraiment intéressant ! Merci pour ce partage d'informations.
[Edit: En attendant, un petit lien vers le robot mangeur de limace, le slugbot.
Esprit
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#9
thermo_nono
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Posté 31 mai 2012 - 01:00
Merci beaucoup pour cette description bien fournie sur ce nouveau mode de production d'énergie. 
Il faut absolument essayer ça. Est-il possible d'envisager de faires des piles plates ? (voir illustration)
ceci pour rapprocher les anodes et cathodes au max, mais aussi pour envisager de grandes surfaces (je pense à la coque des robots).
pour finir, je ne sais plus ou j'ai trouvé ce lien qui vulgarise une méthode comparable de production d'énergie :
http://www.sciences-en-courts.fr/?page_id=770
Il faut absolument essayer ça. Est-il possible d'envisager de faires des piles plates ? (voir illustration)
ceci pour rapprocher les anodes et cathodes au max, mais aussi pour envisager de grandes surfaces (je pense à la coque des robots).
pour finir, je ne sais plus ou j'ai trouvé ce lien qui vulgarise une méthode comparable de production d'énergie :
http://www.sciences-en-courts.fr/?page_id=770
#10
Mel
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Posté 31 mai 2012 - 05:20
Désolé pour la taille du post, mais une explication en demandait une autre du coup j'ai quand même essayé de limiter le volume mais bon... je suis un peu bavard.
@Esprit, sympa le slugbot, je ne le connaissait pas.
@thermo-nono, les elecctrodes plates sont tout à fait utilisables, ça limite la distance entre les électrodes (et donc la résistance interne), par contre la surface reste limitée du coup le courant produit le sera aussi. Des feutres de carbone peuvent être utilisés pour augmenter très considérablement la surface. Globalement ça se présente sous la forme d'un feuillet qui peu être aussi grand que voulu et qui peut avoir une épaisseur de 1 cm, la structure est poreuse et du coup augmente la surface accessible aux bactéries. La diffusion des nutriments (la nourriture que les bactéries utilise et qui se trouve dans le compost par exemple) par contre peut être limitée. Et pour le lien, tu l'a sans doute trouvé sur mon post précédent^^
Une telle pile embarquée ne me semble pas être la meilleure solution puisque le rapport poids/Watts produits n'est vraiment pas favorable je pense. Avec une station fixe qui recharge les batteries d'un robot qui vient se recharger régulièrement me semble plus réaliste. Un bac à compost modifié pour recharger des batteries qui elles sont embarquées sur le robot pourrait être une idée de projet.
Pour info, ces systèmes ont été développés en très petit, je me souvient d'une pile dont le volume interne était de 2.5 mL mais cela ne peut être utilisé que pour alimenter des circuits très peu gourmant en électricité. Dans le même ordre d'idée il y a des labos qui développent des piles enzymatique ou des enzymes imobilizées su des électrodes peuvent catalyser certaines réaction. Le plus souvent l'oxydation du glucose (avec la glucose oxydase) et la reduction de l'oxygène (avec une autre enzyme appelée laccase) sont considérées avec l'objectif d'avoir des système directement implentables dans le sang (l'oxygène et le glucose du sang sont alors directement utilisé pour alimenter des implants médicaux type pacemaker ou injecteur d'insuline. Mais à ma connaissance ça ne marche pas trop.
Cela dit il y a un concept de nokia d'un téléphone portable qui marchait en le remplissant d'une boisson sucrée:
http://www.dezeen.com/2010/01/07/eco-friendly-phone-for-nokia-by-daizi-zheng/
ainsi que d'une pile à sucre développée par Sony
http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200708/07-074E/index.html
Dans les deux cas l'utilisation d'enzyme ne rend pas le truc réaliste, les enzymes ont une demi-vie limitée et ne se renouvelles pas (contrairement aux bactéries qui se reproduise tant qu'il y a à manger), en plus à fabriquer à la maison ça devient impossible à moins d'investir dans des produits purifiés professionnels et également honéreux.
@Esprit, sympa le slugbot, je ne le connaissait pas.
@thermo-nono, les elecctrodes plates sont tout à fait utilisables, ça limite la distance entre les électrodes (et donc la résistance interne), par contre la surface reste limitée du coup le courant produit le sera aussi. Des feutres de carbone peuvent être utilisés pour augmenter très considérablement la surface. Globalement ça se présente sous la forme d'un feuillet qui peu être aussi grand que voulu et qui peut avoir une épaisseur de 1 cm, la structure est poreuse et du coup augmente la surface accessible aux bactéries. La diffusion des nutriments (la nourriture que les bactéries utilise et qui se trouve dans le compost par exemple) par contre peut être limitée. Et pour le lien, tu l'a sans doute trouvé sur mon post précédent^^
Une telle pile embarquée ne me semble pas être la meilleure solution puisque le rapport poids/Watts produits n'est vraiment pas favorable je pense. Avec une station fixe qui recharge les batteries d'un robot qui vient se recharger régulièrement me semble plus réaliste. Un bac à compost modifié pour recharger des batteries qui elles sont embarquées sur le robot pourrait être une idée de projet.
Pour info, ces systèmes ont été développés en très petit, je me souvient d'une pile dont le volume interne était de 2.5 mL mais cela ne peut être utilisé que pour alimenter des circuits très peu gourmant en électricité. Dans le même ordre d'idée il y a des labos qui développent des piles enzymatique ou des enzymes imobilizées su des électrodes peuvent catalyser certaines réaction. Le plus souvent l'oxydation du glucose (avec la glucose oxydase) et la reduction de l'oxygène (avec une autre enzyme appelée laccase) sont considérées avec l'objectif d'avoir des système directement implentables dans le sang (l'oxygène et le glucose du sang sont alors directement utilisé pour alimenter des implants médicaux type pacemaker ou injecteur d'insuline. Mais à ma connaissance ça ne marche pas trop.
Cela dit il y a un concept de nokia d'un téléphone portable qui marchait en le remplissant d'une boisson sucrée:
http://www.dezeen.com/2010/01/07/eco-friendly-phone-for-nokia-by-daizi-zheng/
ainsi que d'une pile à sucre développée par Sony
http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200708/07-074E/index.html
Dans les deux cas l'utilisation d'enzyme ne rend pas le truc réaliste, les enzymes ont une demi-vie limitée et ne se renouvelles pas (contrairement aux bactéries qui se reproduise tant qu'il y a à manger), en plus à fabriquer à la maison ça devient impossible à moins d'investir dans des produits purifiés professionnels et également honéreux.
#11
thermo_nono
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Posté 31 mai 2012 - 05:33
Pour reprendre l'idée du bac à compost, ça ne risque pas de piquer les yeux des lombrics tous ces ions qui se baladent dans le compost ?
et pour ce qui est de mon (ou plutôt "ton") lien sur mon post précédent, il est en effet plus que probable que je l'ai trouvé dans ton message. ^^
et pour ce qui est de mon (ou plutôt "ton") lien sur mon post précédent, il est en effet plus que probable que je l'ai trouvé dans ton message. ^^
#12
Mel
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Posté 31 mai 2012 - 05:48
A priori non parce qu'en soit si ça marche bien ce ne sont que des protons qui diffusent d'un compartiment à l'autre et vu les concentrations ce n'est pas forcément un souci. Mais ça c'est dans le cas idéal, en général l'anode s'acidifie et la cathode devient plus basique.
Si le bac à compost est un peu adapté ça pourrait être géré.
Perso je l'inonderait même un peu avec de l'eau un peu salée pour en améliorer la conductivité. On peut imaginer que l'utilisateur devrait touiller un peu la mixture à chaque fois qu'il apporte ses épluchures de pomme de terre. Par contre les lombrics je ne sais pas trop s'ils aimeraient que ce soit un peu plus salé.
Au pire les lombrics aiment pas et ne se développe pas dans ce type de compost (pas de lombricompostage du coup).
Si le bac à compost est un peu adapté ça pourrait être géré.
Perso je l'inonderait même un peu avec de l'eau un peu salée pour en améliorer la conductivité. On peut imaginer que l'utilisateur devrait touiller un peu la mixture à chaque fois qu'il apporte ses épluchures de pomme de terre. Par contre les lombrics je ne sais pas trop s'ils aimeraient que ce soit un peu plus salé.
Au pire les lombrics aiment pas et ne se développe pas dans ce type de compost (pas de lombricompostage du coup).
#13
Esprit
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Posté 31 mai 2012 - 06:47
A priori non parce qu'en soit si ça marche bien ce ne sont que des protons qui diffusent d'un compartiment à l'autre et vu les concentrations ce n'est pas forcément un souci. Mais ça c'est dans le cas idéal, en général l'anode s'acidifie et la cathode devient plus basique.
Si le bac à compost est un peu adapté ça pourrait être géré.
Perso je l'inonderait même un peu avec de l'eau un peu salée pour en améliorer la conductivité. On peut imaginer que l'utilisateur devrait touiller un peu la mixture à chaque fois qu'il apporte ses épluchures de pomme de terre. Par contre les lombrics je ne sais pas trop s'ils aimeraient que ce soit un peu plus salé.
Au pire les lombrics aiment pas et ne se développe pas dans ce type de compost (pas de lombricompostage du coup).
Et mettre plein de sel dans son compost avant d'utiliser ce compost dans son jardin, ce n'est pas le top non plus... C'est aussi utilisé comme désherbant.
De plus, les lombrics et autres animaux ou bactéries qui colonisent le compost aident à sa décomposition... Du coup, je me demande si c'est une bonne chose de les soupoudrer d'eau salée.
Esprit
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#14
Mel
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Posté 31 mai 2012 - 07:26
Au final c'est une question de quantité (la dose fait le poison). 5g/L de sel ne serait pas excessif, en tout cas pas pour les bactéries qui peuvent "s'adapter" facilement. (je met des " " simplement parce qu'elles ne s'adaptent pas vraiment, ce sont juste les plus adaptées qui restent).
Les lombrics en soit dans ce type de dispositifs ne seraient pas nécessaires (je n'en avait pas dans mes piles par ex). Leur rôle dans l'écosystème du sol et du compost est surtout l'aération, or là on veut éviter la présence d'oxygène du coup c'est pas trop un soucis.
Au final c'est plus la définition du compost qu'il faudrait revoir dans l'utilisation que j'en fait ici.
Pour moi compost = ensemble de déchet organiques (déchets de table, végétaux...) qui seraient regroupé dans un même container. Dans le compostage classique tout ça devient un ensemble solide avec différentes strates et une organisation complexe des réactions sur le temps (consommation de l'oxygène, méthanisation...).
Ici on n'utiliserait que les bactéries adaptées aux conditions de la pile, les autres organismes ne feraient que leur piquer leur nourriture (du coup moins de "carburant" pour la production d'électricité).
L'ajout d'eau salée au moment du lancement de la pile ne devrait pas être trop problématique en terme d'environnement, le sel serait juste là pour rendre l'électrolyte plus conducteur et ne serait pas consommé. Du coup pas besoin d'en rajouter régulièrement.
Le point qui me semble le plus important est le fait d'avoir le tout sous forme plus ou moins liquide (du coup pas adapté aux lombrics dans tous les cas, avec ou sans sel) histoire d'assurer une bonne mobilité (diffusion) des nutriments vers l'électrode.
En gros, ce serait un compost un peu différent de ce à quoi on est habitué
Les lombrics en soit dans ce type de dispositifs ne seraient pas nécessaires (je n'en avait pas dans mes piles par ex). Leur rôle dans l'écosystème du sol et du compost est surtout l'aération, or là on veut éviter la présence d'oxygène du coup c'est pas trop un soucis.
Au final c'est plus la définition du compost qu'il faudrait revoir dans l'utilisation que j'en fait ici.
Pour moi compost = ensemble de déchet organiques (déchets de table, végétaux...) qui seraient regroupé dans un même container. Dans le compostage classique tout ça devient un ensemble solide avec différentes strates et une organisation complexe des réactions sur le temps (consommation de l'oxygène, méthanisation...).
Ici on n'utiliserait que les bactéries adaptées aux conditions de la pile, les autres organismes ne feraient que leur piquer leur nourriture (du coup moins de "carburant" pour la production d'électricité).
L'ajout d'eau salée au moment du lancement de la pile ne devrait pas être trop problématique en terme d'environnement, le sel serait juste là pour rendre l'électrolyte plus conducteur et ne serait pas consommé. Du coup pas besoin d'en rajouter régulièrement.
Le point qui me semble le plus important est le fait d'avoir le tout sous forme plus ou moins liquide (du coup pas adapté aux lombrics dans tous les cas, avec ou sans sel) histoire d'assurer une bonne mobilité (diffusion) des nutriments vers l'électrode.
En gros, ce serait un compost un peu différent de ce à quoi on est habitué
#16
Mel
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Posté 31 mai 2012 - 09:04
En suivant le dévelopement de la ddp (différence de potentiel)de la pile. Au depart la ddp sera nulle mais au fur et à mesure l'anode deviendra de plus en plus négative. Dans une pile de la taille de celle que j'avais au labo ça prenait une semaine pour que le potentiel s'établisse. Une fois le potentiel stable on peut tester différentes résistances entre les électrodes et sélectionner celle qui donnera le plus de puissance.
#17
Esprit
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Posté 31 mai 2012 - 09:39
Vu comme ça. Je pensais que le "compost" que tu utilisais pour les piles était encore utilisable en jardinage par la suite. Mais effectivement, ce n'est pas vraiment le cas. Disons que l'objectif est surtout d'avoir une soupe de nutriments pour nourrir toutes les bactéries.
Vraiment intéressant comme sujet.
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Esprit
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