Recyclage et transformation du CO₂

Projets pour un air pur (I)

Les organismes photosynthétiques - plantes et phytoplancton - sont capables de s'adapter à l'augmentation du dioxyde de carbone dans leur environnement. On a même récemment découvert que les plantes pouvaient suivre son évolution en augmentant leur production d'oxygène comme le confirme une étude publiée par l'équipe de Lucas A.Cernusak de l'Université James Cook dans la revue "Trends in Plant Science" en 2019 (cf. ce graphique). Mais cela ne veut pas dire que cette production primaire d'oxygène neutralise les émissions de gaz carbonique et leurs effets négatifs (déréglement climatique, sécheresse, canicules, etc), au contraire. Tous les jours nous consommons des combustibles fossiles pour alimenter les véhicules, les transports en communs, les usines et les villes. Du fait que les énergies alternatives sont encore très chères, nous continuons à émettre du gaz carbonique dans l'atmosphère qui atteint aujourd'hui des niveaux records, avec plus de 422 ppm en 2024 (cf. Daily CO2 et la Keeling Curve).

On estime que l'utilisation des combustibles fossiles devrait augmenter de 1.3% par an jusqu'en 2030, accentuant le problème du réchauffement du climat et ses impacts sur la biosphère (cf. B.Bello, UKCCSC Winter School, U.Cambridge, 2012).

Il ne fait aucun doute que le changement climatique est un problème grave et qui s'aggrave. Selon un rapport de l'IPCC (GIEC, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) publié en 2018, même si tous les pays industrialisés devenaient neutres en carbone du jour au lendemain, le problème continuerait de s'aggraver par effet d'inertie.

Si nous voulons réduire les émissions de gaz carbonique d'origine anthropique et en même temps réduire l'effet de serre, il ne suffit donc pas d'arrêter d'émettre des mégatonnes de CO₂ dans l'atmosphère; nous devons également commencer tout de suite à éliminer ce que nous y avons déversé.

Etant donné qu'il est impossible de supprimer les émissions de CO₂ sans bloquer l'économie mondiale et sachant qu'il faut plusieurs générations et même davantage pour transformer les fondements technologiques d'une société, il est plus rapide d'inventer des technologies tirant profit du gaz carbonique et capables par exemple de le recycler ou le transformer en matière utile ou en produit non polluant.

Plusieurs méthodes existent, transformant par exemple le CO₂ en plastique, en mousse, en combustible, en encre, en nourriture pour les animaux et même en diamant. Mais il ne faut pas confondre ces techniques avec la séquestration du gaz carbonique qui consiste à le stocker à très long terme dans des pièges naturels ni avec la purification du gaz carbonique qui vise uniquement à le rendre non toxique^[1]. Mais jusqu'à présent, les procédés de transformation coûtaient trop chers pour être rentables et très peu sont exempts d'effets de bord. Certaines parmi ces technologies sont néanmoins efficaces et méritent d'être brièvement décrites à l'intention des chercheurs et des industriels. Cet article est complété à mesure que de nouveaux projets réalistes, performants et rentables sont présentés (en 5 ans, cet article a déjà quadruplé de taille).

Des microalgues pour capturer le CO₂

Parmi les nombreuses entreprises luttant contre le changement climatique, une jeune équipe de chercheurs en biotechnologie de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong fonda la start-up AlGreen en 2021 afin d'exploiter les remarquables propriétés de stockage du carbone par les microalgues.

Les chercheurs d'Algreen ont sélectionné la microalgue Chlorella vulgaris, une espèce d'algue verte d'eau douce couramment utilisée comme complément alimentaire et dans la recherche en biotechnologie. Il s'agit d'une microalgue unicellulaire de forme sphérique et mesurant entre 2 et ~10 microns de diamètre.

 La Chlorella vulgaris est connue pour sa haute valeur nutritionnelle car elle contient de nombreuses vitamines (A, C, B5, B2, B12, acide folique), des minéraux et des acides aminés essentiels (oméga 6 dont les acides linoléique et linolénique). Elle est particulièrement riche en protéines, avec une teneur allant jusqu'à 60% en poids. Elle contient également des quantités importantes de chlorophylle, ce qui lui confère une couleur vertz vive et contribue à sa capacité à photosynthétiser.

Selon Rehaan Lulla, co-fondateur et directeur d'AlGreen, "Nous avons travaillé dur pour concevoir et fabriquer des produits évolutifs depuis notre laboratoire du parc scientifique de Hong Kong. Nous examinons maintenant ce que nous pouvons faire avec les algues elles-mêmes et comment les utiliser pour fabriquer des produits commerciaux." (cf. SCMP, 2023).

Depuis 2023, le produit phare d'AlGreen est un système de biocapture de 750 ml que les chercheurs appellent affectueusement la "plante liquide" utilisé comme photobioréacteur à base d'algues pour purifier l'air. Selon Lulla, il peut absorber 6.3 g de CO₂ par semaine, dépassant d'un facteur 15 les plantes d'intérieur traditionnelles.

Comme toute culture de microalgues, le photobioréacteur nécessite de l'électricité pour l'éclairage interne et une pompe à air. Les chercheurs ont constaté que lorsque des lumières bleue (LED de 450 nm) et rouge (LEDS de 660 nm) étaient appliquées simultanément dans différents proportions, les microalgues présentaient une augmentation majeure de leur croissance et de leur productivité lipidique (et de protéines et de glucides). Le rapport optimal est de 3 à 4 lumières bleue et rouge qui permet d'améliorer considérablement la productivité des lipides de plus de 35% et d'augmenter le rendement de la biomasse sèche de plus de 10% par rapport à une culture de contrôle exposée à la lumière blanche.

A consulter : Microalgae LED Solution, LEDESTAR

Les photobioréacteurs à microalgues destinés à purifier l'air en absorbant le gaz carbonique. La lumière rose est un fait un mélange optimisé de lumières bleue (qui augmente la production de lipides, de protéines et de glucides) et rouge (qui limite la croissance des algues et la formation de lipides par rapport à la lumière bleue ou blanche). Les flacons de gauche ont une capacité de 750 ml et chacun peut absorber 6.3 g de CO2 par semaine, 15 fois plus qu'une plante traditionnelle. Cet article est proposés à 199 HK$ (23 €). Le modèle au centre est proposé à 7999 HK$ (940 €). Documents Algreen.

L'équipe a finalement commercialisé ses inventions, transformant les microalgues en une solution décorative et fonctionnelle pour le grand public et les entreprises.

Selon Tasin Khan, analyste chez AlGree, "Un avantage secondaire dans une maison serait en fait la purification de l'air. Notre produit nous permet également de purifier l'air, tout en libérant de l'oxygène." Un prototype est déjà en vente sur le site Internet de l'entreprise et d'autres versions seront bientôt commercialisées.

L'autre défi d'AlGreen est l'éducation. AlGreen propose un kit d'enseignement de la science, de la technologie, de l'ingénierie et des mathématiques appelé "STEM Biology Kit" basé sur les microalgues. Bien qu'initialement destiné aux étudiants et aux familles, l'équipement est désormais disponible en gros.

Le "STEM Biology Kit" permet au public d'expérimenter des techniques de laboratoire de microbiologie et de cultiver des microalgues à domicile (cf. la boîte de Pétri et le kit système opérationnel). Des scientifiques d'AlGreen ont spécialement conçu des expériences et rédigés des instructions (en anglais) pour enseigner à chacun les principes fondamentaux de la microbiologie avec une approche pratique.

Comme illustré à droite, le kit STEM qui tient dans une petite boîte en carton A4 comprend des lampes LED de culture, une prise mural de type G (pour les Européens il faudra donc un adaptateur), des nutriments, des cultures d'algues vivantes, des flacons, des boîtes de Pétri, des tubes à centrifuger, des boucles d'inoculation, des gants de sécurité et des écouvillons. Le kit STEM est proposé au prix de 439 HK$ (41€).

Les ambitions d'AlGreen vont cependant au-delà de la vente de kits. Selon Lulla, "Le plus grand projet n'est pas de simplement vendre le kit seul. AlGreen prévoit de mettre en œuvre ses systèmes de captage du carbone et de purification de l'air pour les entreprises ainsi que les institutions publiques en 2024."

La start-up va prochainement fabriquer un bioréacteur de 1000 litres alimenté uniquement par l'énergie solaire. En prévoyant de contacter les institutions publiques et les entreprises pour la mise en œuvre de leurs systèmes de captage du carbone, AlGreen vise à avoir un impact significatif sur la réduction des émissions de carbone.

Selon Lulla, "Six bioréacteurs à microalgues de 1000 litres peuvent absorber une tonne de dioxyde de carbone par an." L'objectif principal de la start-up est de générer un flux constant de revenus, d'intégrer la technologie interne et de commercialiser des produits.

AlGreen est en train d'enregistrer la propriété intellectuelle de son procédé exclusif qui permet également de convertir la biomasse de microalgues en biohuile, biocharbon et molécules bioactives. Selon Lulla, ce processus sera crucial pour la séquestration du carbone et la production de biocarburants à grande échelle, conformément à leur engagement à contribuer à une économie circulaire.

Dépolluer l'air grâce à des microalgues

La société française de biotechnologie Fermentalg fondée en 2009 constata que sous l'effet de la lumière, les microalgues capturent le gaz carbonique et le transforment en oxygène par photosynthèse comme le font les plantes. A la différence qu'elles en absorbent une bien plus grande quantité. En collaboration avec Suez, l'entreprise a donc décidé de produire des protéines, des huiles riches en acides gras (oméga 3) et des pigments naturels (phycocyanine, astaxanthine) grâce à ces microalgues cultivées dans un bioréacteur.

Fermentalg possède une collection de 2500 souches de microalgues dont certaines sont plus efficaces (opérantes) que d'autres selon la fonction visée. Les plus utilisées appartiennent à la famille des Chlorelles décrites plus haut. Ce sont des microalgues unicellulaires d'eau douce contenant une forte concentration de chlorophylle et dont le rythme de croissance est très rapide, produisant une importante biomasse. De plus, ces chlorelles sont riches en oméga 6, en vitamines et en protéines et constituent à ce titre des compléments alimentaires et des produits cosmétiques très appréciés.

Fermentalg a choisi d'incorporer ces microalgues dans du mobilier urbain comme la colonne de Morris présentée à gauche généralement utilisée comme support publicitaire. Cette fois, elle constitue un puis de carbone servant à dépolluer les villes en commençant par Paris. Le projet fut présenté lors de la COP21 en 2015.

Selon Jérôme Arnaudis de Suez France, "nous avons signé des accords d’expérimentation avec la ville de Paris, pour une application urbaine et avec le Syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne (SIAAP) pour une autre application, sur un incinérateur situé à Colombes (92). Les équipes scientifiques du SIAAP ont d’ailleurs activement participé à la conduite de ce projet par la mise en œuvre d’expérimentations au sein de leur centre de recherche (Colombes). Cette seconde expérimentation intéresse particulièrement les activités industrielles émettrices de CO₂, comme les incinérateurs, et plus largement tout procédé de combustion générant des fumées concentrées en CO₂ (de l’ordre de 10%)."

Selon les communiqués de presse de Fermentalg, le puits de carbone se présente sous la forme d'un grand cylindre rempli d'eau douce contenant des microalgues assurant la photosynthèse. Installé en ville dans les lieux particulièrement pollués, ce type de bioréacteur absorbe autant de gaz carbonique qu'une centaine d'arbres, soit une tonne de carbone par an soustraite de l'atmosphère. Les microalgues sont ensuite récupérées pour produire de l'énergie. Selon Arnaudis, "la biomasse produite par l'activité des microalgues peut être évacuée vers la station d’épuration qui utiliserait cette matière afin de produire une énergie verte : du biogaz ou du biométhane lorsqu’il est réinjecté dans le réseau de gaz naturel." Un puit à carbone fut installé à Paris en janvier 2017 pour tester la captation des fumées d'incinération. Une deuxième colonne sera installée ensuite en cœur de la capitale, Place Victor et Hélène Basch à Paris.

A gauche, le principe du puits de carbone basé sur un bioréacteur à microalgues absorbant le gaz carbonique de l'air. Au centre, la première colonne de Morris anti-pollution à microalgues installée à Paris en 2017. A droite, les microalgues du genre Nannochloropsis (2-3 microns de diamètre) de la famille des Eustigmatacées. Puisque beaucoup d'algues ont une forme en bâtonnet ou sont sphériques, pour différencier les espèces, le microscope électronique ne suffit pas. Il faut analyser leur ADN (gène chloroplastique rbcL et séquence ARNr 18S). Documents Suez-Fermentalg et D.R.

Fermentalg confirme qu'en multipliant les puits de carbone, une agglomération pourrait ainsi avoir un effet positif, persistant et à long terme sur la nature de l'air local et minimiser l'impact des pics de pollution. Les puits de carbone peuvent également être utilisés dans des sites industriels où des niveaux élevés de CO₂ sont produits.

Si ces tests urbains sont concluants, Fermentalg passera à la phase industrielle.

Transformer le CO₂ en carburant pour avion

En 2020, selon l'IATA les avions contribuaient à 2% des émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et à 12% de toutes les émissions de CO₂ liées au transport. En effet, chaque litre de kérosène produit 2.55 kg ou 1.44 m³ de CO₂ ! Un avion comme l'Airbus A380 (455 passagers) consomme 2.9 litres soit 4.3 kg de kérosène par passager pour parcourir 100 km. Chaque vol de 2000 km (la moyenne des vols) produit 67 tonnes de gaz carbonique soit 33.5 kg de CO₂  par  km ce qui représente 223 fois plus qu'une voiture (~150 g/ km) ! Tous les touristes prenant l'avion participent à cette pollution, même les plus écologistes d'entre eux. Mais il se pourrait qu'un jour, ce dioxyde de carbone permette de propulser des avions.

Dans un article publié dans la revue "Nature Communications" en 2020, le chimiste et entrepreneur Tiancun Xiao de l'Université d'Oxford et ses collègues, sont parvenus à mettre au point un nouveau catalyseur à base de fer convertissant le dioxyde de carbone en fuel synthétique pouvant notamment être utilisé par les avions de lignes et les cargos.

Microphotographie SEM de la poudre d'un catalyseur Fe-Mn-K (à gauche le précurseur, à droite, le système utilisé) développé par T.Xiao et al. (2020).

Contrairement aux véhicules terrestres, les avions actuels sont tellement lourds et énergivores qu'ils ne peuvent pas transporter de batteries suffisamment grandes pour assurer un vol complet uniquement en comptant sur l'électricité produite par l'énergie éolienne ou solaire. En revanche, si le CO₂ plutôt que le pétrole était utilisé pour fabriquer du carburant pour avion, cela pourrait réduire l'empreinte carbone de l'industrie du transport aérien.

Les tentatives passées pour convertir le dioxyde de carbone en carburant se sont appuyées sur des catalyseurs constitués de matériaux relativement coûteux, comme le cobalt, et ont nécessité plusieurs étapes de traitement chimique.

La nouvelle poudre de catalyseur est composée d'ingrédients bon marché comme le fer et transforme le CO₂ en une seule étape. Lorsqu'il est placé dans une chambre de réaction contenant du dioxyde de carbone et de l'hydrogène gazeux, le catalyseur à base de Fe-Mn-K facilite la séparation du carbone des molécules de CO₂ de l'oxygène et sa liaison à l'hydrogène, formant les molécules d'hydrocarbures (CH₂) qui composent le fuel des avions à réaction. Les atomes d'oxygène restants du CO₂ se lient ensuite avec d'autres atomes d'hydrogène pour former de l'eau. La réaction chimique est la suivante (avec CH₂ le méthylène, le carbène le plus simple) :

Hydrogénation du CO₂ :

CO₂ + 3H₂    − (CH₂) − + 2H₂O (ΔH^o₂₉₈ = -125 kJ/mol)

Réaction RWGS (reverse water gas shift) :

CO₂ + H₂    CO + H₂O (ΔH^o₂₉₈ = +41 kJ/mol)

Réaction FTS (synthèse de Fischer-Tropsch) :

CO + 2H₂    − (CH₂) − + H₂O (ΔH^o₂₉₈ = -166 kJ/mol)

Les chercheurs ont testé leur nouveau catalyseur dans une petite chambre de réaction fonctionnant à 300°C et pressurisée à 1 MPa. En 20 heures, grâce à l'hydrogénation le catalyseur a converti 38.2% du dioxyde de carbone en nouveaux produits chimiques. 47.8% de ces produits étaient composés d'hydrocarbures d'aviation. D'autres sous-produits comprenaient des produits pétrochimiques similaires, tels que l'éthylène et le propylène, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des plastiques.

Notons que Tiancun Xiao est également le fondateur de l'entreprise Oxford Catalysts Ltd alias Velocys dont le but est de commercialiser des carburants écologiques durables fabriqués à partir de déchets afin d'atteindre des émissions de gaz à effet de serre nettes nulles et d'améliorer la qualité de l’air.

Transformer le CO₂ en hydrocarbures

Une équipe de chercheurs du Canada et des États-Unis a développé un catalyseur qui convertit rapidement et efficacement le dioxyde de carbone en produits chimiques simples utiles à l'industrie, comme des hydrocarbures (des molécules à base de H et C qui sont des sources d'énergie). Les résultats de cette étude furent publiés dans la revue "Science" en 2020.

Selon F.Pelayo García de Arquer de l'Université de Toronto et principal auteur de cet article, "La technologie des électrolyseurs d'eau est bien connue : ils transforment l'eau et l'électricité en hydrogène et en oxygène, mais dans notre cas, nous ajoutons du CO₂ au cocktail et, au lieu de produire de l'hydrogène, nous pouvons générer divers hydrocarbures, comme l'éthylène, qui est le composé organique le plus utilisé dans le monde. Nous pouvons obtenir des matières premières pour la fabrication de produits tels que des matériaux de construction, des textiles, des peintures, des composants d'appareils électroniques, des couches ... ou même des spiritueux."

La clé du nouveau dispositif est un revêtement polymère qui facilite le transport du dioxyde de carbone à travers la surface du métal ou de l'électrode du catalyseur. 

De manière générale, le CO₂ a du mal à pénétrer les solutions aqueuses et à atteindre toute la surface de ce matériau; donc quand le flux d'électrons (courant électrique) est augmenté pour effectuer la réaction, il n'y a pas assez de CO₂ à transformer.

A gauche, des ingénieurs de l'Université de Toronto travaillant sur leur nouveau catalyseur. A droite, le catalyseur avec le revêtement ionomère développé par les chercheurs et schéma de la production d'hydrocarbures renouvelables (éthylène, C2H4 et éthanol, C2H5OH) à partir de l'électricité (électrons), CO2, H+ à partir de l'eau et des électrolytes (tels que l'hydroxyde de potassium, KOH, qui augmentent la conductivité ionique). L'OH résultant de la réaction est transporté vers l'anode de l'électrolyseur, où il réagit pour générer de l'oxygène (O2). Documents Daria Perevezentsev/U.Toronto Engineering et F. Pelayo García de Arquer et al. (2020).

Mais les auteurs ont trouvé une méthode pour surmonter cette limitation. Selon García de Arquer, "Nous avons découvert qu'une certaine configuration d'ionomères (polymères qui conduisent les ions et l'eau vers le catalyseur) permet d'augmenter considérablement la facilité avec laquelle le CO₂ est distribué le long de la surface catalytique, ce qui nous permet d'atteindre une productivité plus élevée.""

Ce revêtement ionomère contient des éléments hydrophobes (hydrofuges) et hydrophiles (attirant l'eau) et est regroupé pour former une couche ultra-mince d'environ 10 nm qui aide à maintenir la réaction d'où, à partir du CO₂ et de l'hydrogène de l'eau (H + protons), l'hydrocarbure est produit.

Selon García de Arquer, "Il y a environ deux ans, les systèmes d'électrolyse au CO₂ étaient limités à des sorties électriques ou à des courants de dizaines de milliampères par centimètre carré, ce qui signifie que seules quelques molécules de ce gaz pouvaient être transformées en quelque chose d'utile, mais notre découverte permet les faire fonctionner à des courants cent fois plus élevés, plus d'un ampère par centimètre carré. De cette façon, beaucoup plus de molécules de CO₂ peuvent être transformées, atteignant des activités qui étaient impensables il y a quelques années."

Un autre avantage mis en avant par García de Arquer est que la source d'électricité nécessaire au processus "peut être parfaitement renouvelable, comme l'énergie solaire, éolienne ou hydraulique, c'est donc une façon de construire des hydrocarbures également renouvelables."

Les chercheurs travaillent à présent sur l'amélioration de l'efficacité du système et sa stabilité, qui est actuellement de quelques dizaines d'heures, encore loin des milliers d'heures de fonctionnement des électrolyseurs à eau.

Transformer le CO₂ en carburant grâce à l'énergie solaire

Nous savons que les plantes convertissent le CO₂ et l'eau en oxygène et en sucres à haute teneur énergétique qu'ils utilisent comme "carburant" pour se développer. Ils tirent leur énergie du Soleil; c'est la photosynthèse. Jianwu Sun de l'Université de Linköping (LiU) en Suède et et ses collègues ont tenté d'imiter cette réaction photochimique pour convertir le dioxyde de carbone de l'air en carburants chimiques, tels que le méthane (CH₄), le méthanol (CH₃OH) et l'éthanol (C₂H₅OH). Les résultats de leurs travaux ont fait l'objet d'un article publié dans la revue "Nano" en 2020.

Selon Jianwu Sun, "En convertissant le dioxyde de carbone en carburant à l'aide de l'énergie solaire, cette technique pourrait contribuer au développement de sources d'énergies renouvelables et réduire l'impact sur le climat de la combustion des énergies fossiles."

Le graphène est l'un des matériaux les plus minces existant, composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Il est élastique, flexible, léger, résistant, transparent à la lumière et bon conducteur d'électricité. Cette combinaison de propriétés garantit que le graphène a un potentiel d'utilisation dans des applications telles que l'électronique, la biomédecine et beaucoup de domaines touchant la mécanique.

Mais le graphène seul ne convient pas pour convertir l'énergie solaire comme le souhaitaient les chercheurs du LiU. Ils ont donc combiné le graphène avec un semi-conducteur composé de carbure de silicium cubique (3C-SiC).

Les scientifiques de l'Université de Linköping ont déjà développé une technique de pointe au niveau mondial pour fixer du graphène sur du carbure de silicium cubique. Lorsque le carbure de silicium est chauffé, le silicium est vaporisé tandis que les atomes de carbone restent et se restructurent sous la forme d'une couche de graphène. Les chercheurs ont précédemment montré qu'il était possible de placer de manière contrôlée jusqu'à quatre couches de graphène les unes sur les autres.

Cette fois, ils ont combiné le graphène et le carbure de silicium cubique pour développer une photoélectrode à base de graphène qui préserve la capacité du carbure de silicium cubique à capter l'énergie de la lumière solaire et à créer des porteurs de charge. Le graphène fonctionne comme une couche transparente conductrice tout en protégeant le carbure de silicium.

Les performances de cette technique sont contrôlées par plusieurs facteurs, dont l'un est la qualité de l'interface entre le graphène et le semi-conducteur. Les chercheurs ont examiné en détail les propriétés de cette interface et montrent dans l'article qu'ils peuvent adapter les couches de graphène sur le carbure de silicium et contrôler les propriétés de la photoélectrode à base de graphène. La conversion du dioxyde de carbone est ainsi rendue plus efficace, tandis que les stabilités des composants sont en même temps améliorées.

La photoélectrode développée par les chercheurs peut être combinée avec des cathodes de divers métaux, comme le cuivre, le zinc ou le bismuth. Différents composés chimiques, tels que le méthane, le monoxyde de carbone et l'acide formique peuvent ainsi être formés sélectivement à partir de dioxyde de carbone et d'eau en sélectionnant les cathodes métalliques appropriées.

Selon Sun, "Plus important encore, nous avons démontré que nous pouvons utiliser l'énergie solaire pour contrôler la conversion du dioxyde de carbone en méthane, monoxyde de carbone ou acide formique." Rappleons que le méthane est utilisé comme carburant dans les véhicules adaptés à l'utilisation de carburants gazeux. Le monoxyde de carbone et l'acide formique peuvent être transformés de manière à pouvoir fonctionner comme combustibles ou à être utilisés dans l'industrie".

La méthode est actuellement au stade de la recherche et le proof of concept (preuve de concept) fonctionne. L'objectif à long terme des chercheurs est de convertir efficacement l'énergie solaire en combustible et de créer un prototype.

Transformer le CO₂ en polymères

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2019, l'équipe de Susumu Kitagawa de l'Université de Kyoto proposa une nouvelle solution pour convertir le dioxyde de carbonique en matière utile. Les chercheurs ont développé un polymère organique poreux (PCP ou Porous Coordination Polymer) ayant des affinités pour le CO₂ qui permet de le convertir en matière première utile à l'industrie.

A gauche, analyse des structures cristallines PCP aux rayons X. Dans le schéma de gauche (Zn-DPA-2H2O), les molécules d'eau sont omises pour plus de clarté. A droite, synthèse des carbonates cycliques utiles aux industries pétrochimique et pharmaceutique à partir d'époxydes et de gaz carbonique. Documents S.Kitagawa al. (2019) et M.North et al. (2010).

Comme le montre le schéma ci-dessus à gauche, les PCP également appelés MOFs (Metal Organic Framework) fonctionnent comme des tamis moléculaires. Ils sont capables de trier les molécules de manière sélective selon leur forme et leur taille grâce à leur structure hélicoïdale. Le PCP est fabriqué à partir d'ions métalliques de zinc et d'un composant organique en forme d’hélice. C'est précisément cette hélice qui est la clé du brevet car la structure pivote en présence de CO₂ afin de piéger la molécule.

Selon les chercheurs, ce modèle de PCP capture le CO₂ dix fois plus efficacement que les autres PCP. Lorsque le CO₂ est capturé, il peut être utilisé pour fabriquer des polymères organiques qui peuvent ensuite être transformés en polyuréthane, une matière première qu'on retrouve dans quantités d'objets, des appareils ménagers aux isolants en passant par les vêtements. Il peut aussi être recyclé en carbonates cycliques (cf. M.North et al., 2010), un matériau synthétique utilisé dans les industries pétrochimiques et pharmaceutique.

Séquester le CO2 en fertilisant les océans avec du fer

Les scientifiques suggèrent que nous pourrions fertiliser les océans avec du fer pour lutter contre le changement climatique. Le résultat serait que le fer conduirait à des proliférations de phytoplanctons, ce qui aiderait à extraire le dioxyde de carbone de l'atmosphère (cf. P.W. Boyd et al., 2001; K.O. Buesseler et al., 2004; WHOI, 2013;  S.W. Chisholm et al., 2015).

C'est une forme de géo-ingénierie centrée sur les mers plutôt que sur le ciel qui repose sur la capacité de l'océan à absorber de grandes quantités de dioxyde de carbone et à le dissoudre naturellement. Contrairement à d'autres formes de géo-ingénierie, elle n'implique pas de produits chimiques nocifs.

Le phytoplancton utilise naturellement le dioxyde de carbone et la lumière du Soleil pour la photosynthèse, de la même manière que les plantes terrestres, pour produire de l'oxygène. Rappelons que le phytoplancton est responsable d'environ 50% de la production d'oxygène de l'atmosphère, le reste étant produit par les végétaux.

La fertilisation par le fer est une méthode de séquestration. L'idée est que dans de nombreuses parties des océans, en particulier dans les régions riches en nutriments et à faible teneur en chlorophylle ou HNLC (High-Nutrient, Low-Chlorophyll), telles que l'océan Austral, la carence en fer représente un phytoplancton minimal. Or le phytoplancton se développe dans les eaux riches en fer. En augmentant la concentration en fer, on estime que le phytoplancton proliférerait ou fleurirait (blooming), ce qui augmenterait la photosynthèse et permettrait d'extraire davantage de dioxyde de carbone de l'atmosphère. La "pompe biologique" océanique transporterait une fraction inconnue de ce carbone tiré par le phytoplancton vers les eaux profondes, où il pourrait résider pendant des siècles.

A gauche, le blooming du phytoplancton en été dans l'océan Atlantique sud forme des tourbillons en forme de 8 à environ 600 km à l'est des îles Falkland. L'image fut prise le 2 décembre 2011 par l'instrument MERIS du satellite Envisat de l'ESA. Sur l'original, la résolution est de 300 km. A droite, la concentration des océans en chlorophylle le 7 janvier 2011. Il y a un déficit quasi permanent sous les Tropiques et dans le Pacifique sud. Documents l'ESA et EO/SeaWiFS adapté par l'auteur.

Le radiochimiste marin Ken O. Buesseler de l'Institut Océanographique de Woods Hole (WHOI) et une équipe de chercheurs ont étudié les effets de la fertilisation par le fer sur les océans du monde. Ils ont découvert que l'introduction de fer pouvait "modifier le flux de carbone vers l'océan profond" et qu'elle contribuait de manière significative à la quantité de dioxyde de carbone entraînée dans l'océan (cf. K.O. Buesseler et al., 2008).

Cependant, depuis ses premières recherches en 2004 et malgré le support du WHOI, Buesseler constate que la communauté scientifique n'a pas fait grand-chose pour étudier le potentiel de la fertilisation par le fer. Selon Buesseler, "Ce qui s'est passé il y a 20 ans, c'est que nous avons commencé à faire le tour, et nous répandions une forme chimique de fer et recherchions ce phytoplancton - la réponse de la plante - et en effet, cela montra très clairement que si vous augmentez le fer, vous pourriez créer plus d'absorption de dioxyde de carbone. La différence entre aujourd'hui et il y a 20 ans, c'est que je pense que la crise climatique est tellement plus apparente pour le public."

En 2020, Buesseler rejoignit un groupe de chercheurs qui examinait plusieurs options pour lutter contre le changement climatique, notamment la fertilisation en fer et l'augmentation des niveaux de phytoplancton dans les océans du monde. L'étude devait se conclure par la publication d'un rapport par l'intermédiaire des Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine.