Pourrait-on exploiter l’énergie des arbres qui vibrent dans le vent ?

Transformer des vibrations en énergie électrique est plutôt facile. Vous n'avez besoin que de matériaux en cristal ou en céramique, d'un ou deux fils, et le tour est joué. Merci, la piézoélectricité. Lorsqu'une contrainte est appliquée à un matériau, il accumule une charge qui peut ensuite être transformée en travail utile. L'exemple classique est celui du briquet, dans lequel un petit marteau à ressort frappe un cristal, produisant une étincelle.

Partout autour de nous, de l'énergie est générée de cette façon. L'univers dans son ensemble est constitué de forces et de contraintes. Le pianotage de mes doigts sur le clavier pourrait, en théorie, être utilisé pour générer de l'électricité. En réalité, l'idée est déjà brevetée sous forme d'un revêtement de clavier capable de charger une batterie. On peut également imaginer des projets à plus grande échelle : par exemple, collecter l'énergie dégagée par les oscillations d'un gratte-ciel, ou par les tremblements d'une forêt dans le vent.

Ce second exemple est au cœur du système piezoélectrique décrit dans un article paru dans le Journal of Sound and Vibration et écrit par des ingénieurs du Laboratoire de recherche en acoustique et mécanique de l'État d'Ohio.

L'idée est d'utiliser une plate-forme de récupération d'énergie pour exploiter les vibrations internes d'arbres formant de petites forêts artificielles capables de générer suffisamment d'énergie pour alimenter des capteurs et des systèmes de surveillance.

L'énergie piézoélectrique produite par la flexion d'un arbre malmené par le vent n'est pas tout à fait comparable à celle d'un moulin à vent. En effet, le système de récupération d'énergie piézoélectrique est limité par la gamme de fréquence de vibrations qu'il peut convertir en énergie utile. Cette gamme est conditionnée, pour l'essentiel, par les propriétés du matériau utilisé. Hélas, le vent souffle de manière inconstante et il est impossible de changer les matériaux de la machine à chaque fois qu'une petite brise se transforme en bourrasque.

L'équipe d'ingénieurs, menée par le professeur Ryan Harne, a découvert qu'il était pourtant possible de convertir des vibrations de fréquence aléatoire en énergie utile en exploitant la résonance naturelle de la structure d'objets similaires à des arbres.

Cette fréquence de résonance peut être imaginée comme une sorte de barrière qui absorbe et stocke l'énergie vibratoire des fréquences plus élevées. C'est ce qu'il se passe lorsque les fines rides à la surface de l'eau sont absorbées par des remous plus gros lorsqu'un objet chute dans une mare.

Le document utilise la métaphore du pont pour illustrer ce problème de fréquence de résonance. Imaginez une foule de gens marchant sur un pont. Chaque individu pose le pied à terre avec une fréquence différente, mais certaines fréquences correspondent à la fréquence de résonance du pont, qui s'en trouve amplifiée. On pourrait penser qu'il suffit de faire une moyenne des différentes fréquences de pas sur le point, qui constitueraient alors une sorte de bruit blanc. Mais ça ne fonctionne pas comme ça : en réalité, une partie de l'énergie des pas est absorbée par le pont à cause de sa résonance.

Ce phénomène se produit également chez les arbres : une petite brise peut agiter une feuille ou une petite branche, mais cette énergie est absorbée par l'arbre et son empire de basses fréquences.

Le constat mathématique de Harne est qu'il est donc possible de capturer l'énergie utile d'un vent plus ou moins aléatoire ; pour vérifier son hypothèse, il a utilisé un arbre artificiel en forme de L fait de poutrelles d'acier enveloppées dans du fluorure de polyvinylidène (PVDF), un matériau piézoélectrique. Il a réussi à produire 2V de cette manière.

Évidemment, il ne s'agit là que d'une preuve de concept. Ne vous attendez pas à ce que des forêts de métal poussent autour des villes afin de les alimenter en électricité. Mais l'idée est chouette.