Les ingénieurs qui tentent de rendre l’énergie solaire plus abordable pour l’utilisateur moyen sont depuis longtemps confrontés à une énigme. Les panneaux solaires capturent beaucoup plus d'énergie lorsqu'ils peuvent se déplacer pour suivre le mouvement du soleil à travers le ciel. Mais les appareils nécessaires pour déplacer les panneaux sont coûteux et ils sont généralement trop lourds pour être utilisés sur des toits inclinés.
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Des chercheurs de l’Université du Michigan ont emprunté au kirigami, l’art japonais du découpage du papier, pour créer un nouveau type de panneau de suivi. Les feuilles de plastique plates des cellules solaires sont découpées au laser avec de petites coupures. Une fois tirées, les feuilles s'ouvrent en trois dimensions, offrant des surfaces surélevées face au soleil.
«Ici, nous avons un substrat vraiment mince. Il est léger et ne nécessite pas de gros supports ou machines », explique Max Shtein, professeur agrégé en science des matériaux et en génie à l'université. "Tout ce que vous avez à faire est un peu de l'étirer."
Les cellules solaires de kirigami sont le résultat d'une collaboration entre l'équipe de Shtein et l'artiste de papier Matthew Shlian. Shlian, connu pour ses sculptures futuristes faites de papier plissé et tranché géométriquement, était passé par le laboratoire de Shtein il y a plusieurs années, à la recherche de scientifiques avec qui travailler. Lui et Shtein s'entendirent immédiatement. Ils se rencontraient régulièrement, essayant de comprendre comment le savoir-faire de Shlian en matière de manipulation de surfaces planes pouvait être utilisé dans l'un des projets de Shtein. Puis un jour, Shlian montra à Shtein une forme avec laquelle il travaillait, où un papier était coupé en petites fentes. Lorsque Shtein a tiré sur les extrémités, il s'est développé en un maillage tridimensionnel.
«Je pensais 'ah ah, bingo!'» Se souvient Shtein. Ce serait parfait pour un panneau solaire.
L'équipe a exécuté une simulation utilisant les panneaux de kirigami, en fonction des conditions du solstice d'été en Arizona. La simulation a suggéré que le panneau de kirigami fonctionnait presque aussi bien qu'un panneau solaire conventionnel à suivi mécanique, et qu'il était 36% plus efficace qu'un panneau fixe. Les résultats ont été rapportés dans la revue Nature Communications .
Les panneaux de kirigami ne seront plus utilisés par les consommateurs que dans plusieurs années - Shtein espère obtenir davantage de financement pour faire avancer le projet. Mais ils pourraient potentiellement être moins chers que les panneaux conventionnels. Alors que le coût des modules solaires a considérablement diminué au fil des ans (environ 75% depuis 2009, selon un rapport de l'Agence internationale pour l'énergie renouvelable), le prix de l'installation est resté obstinément élevé. Les panneaux de kirigami seraient probablement plus faciles à installer et nécessiteraient un équipement moins lourd.
Le projet en est encore au stade de la conception. l'équipe n'a pas encore créé de prototype fonctionnel du panneau. Des tests supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si les panneaux solaires minces et flexibles sont suffisamment durables pour être tirés chaque jour sur de nouvelles positions pendant plusieurs années. Si l'équipe espère construire un panneau capable de durer 25 ans, les feuilles, selon l'estimation de Shtein, devront supporter quelque 25 000 mouvements.
"Peut-il faire ça?" Demande Shtein. "Nous ne l'avons pas testé autant."
On ne sait pas non plus quel type de mécanisme serait utilisé pour étirer les panneaux, même s’il serait probablement beaucoup plus léger que les trackers traditionnels.
Le même modèle de kirigami utilisé sur les panneaux solaires peut avoir des applications bien au-delà de l'énergie solaire, explique Shtein. Il est possible que cette configuration soit utile dans les secteurs de la caméra, de l'aérospatiale et de l'automobile, bien que Shtein affirme qu'il n'est pas libre de donner beaucoup de détails.
Origami, le cousin le plus connu de kirigami, a été utilisé dans de nombreuses applications scientifiques et techniques, des stents cardiaques aux miroirs aérospatiaux, en passant par les airbags de voiture. Les chercheurs de Cornell ont récemment utilisé le kirigami lui-même pour la fabrication de transistors minuscules et flexibles. Taillés dans le graphène (des feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur), les transistors pourraient être utilisés pour créer des nanomachines à plusieurs fins.
