Et si nos vibrations produisaient de l’électricité ?

Un briquet, une montre à quartz, un écran tactile ou encore une échographie : dans notre quotidien, l’effet piézoélectrique est présent dans de nombreux objets et technologies. Ce phénomène étonnant permet de transformer une déformation mécanique, comme une pression ou une vibration, en électricité.

Mais comment fonctionne-t-il ? Et surtout, peut-on utiliser les vibrations qui nous entourent pour produire de l’énergie ?

Quelques réponses en bande-dessinée grâce aux dessins de Étienne Aubry.

Une découverte qui remonte au XIXe siècle

La première démonstration de la piézoélectricité date de la fin du XIXe siècle. En 1880, les frères Pierre et Jacques Curie s’intéressent aux propriétés électriques de différents cristaux, notamment du quartz.

Ils démontrent pour la première fois que certains cristaux produisent des charges électriques lorsqu’ils sont comprimés ou étirés. C’est la découverte de l’effet piézoélectrique.

Les deux frères mettent ensuite au point un instrument appelé « quartz piézo-électrique », capable de générer de petites quantités d’électricité. Cet instrument sera notamment utilisé pour effectuer des mesures de radioactivité.

La découverte ouvre alors la voie à de nombreuses applications. Pendant la Première Guerre mondiale, le physicien Paul Langevin utilise notamment des matériaux piézoélectriques pour développer un système de sonar.

Depuis, le principe s’est largement diffusé. Mais près de 150 ans après sa découverte, les scientifiques continuent d’explorer les possibilités offertes par la piézoélectricité.

Des vibrations comme source d’énergie

C’est le cas d’Hélène Debéda, enseignante-chercheuse au laboratoire Intégration Matériaux Système (IMS) à Talence, près de Bordeaux.

Avec son équipe, elle travaille notamment sur le projet de recherche PLAYER-ONE, qui cherche à améliorer la fabrication des composants piézoélectriques.

L’objectif est de produire des transducteurs, ou pastilles piézoélectriques, plus rapidement et à moindre coût, tout en utilisant des matériaux plus respectueux de l’environnement et de notre santé. Les chercheurs cherchent également à rendre ces composants plus facilement intégrables dans les objets de notre quotidien.

À terme, ces technologies pourraient faciliter l’utilisation de récupérateurs d’énergie vibratoire. Le principe : récupérer les vibrations présentes dans notre environnement pour les transformer en électricité et ainsi alimenter, ou éventuellement remplacer en partie, l’alimentation de petits objets du quotidien.

Une piste qui pourrait contribuer à réduire notre consommation énergétique et la quantité de déchets liés aux batteries.

Pour y parvenir, les chercheurs explorent notamment plusieurs pistes technologiques.

Un four pour fabriquer les pastilles

Le four de frittage

Pour fabriquer les composants piézoélectriques, les chercheurs utilisent notamment des matériaux sous forme de poudre.

Grâce à un four de frittage, ils peuvent mélanger différents additifs en poudre, placer le mélange dans un moule puis le chauffer à environ 700 °C.

La chaleur permet de lier les grains de poudre entre eux et de former une pastille. Celle-ci pourra ensuite être transformée en composant piézoélectrique.

Cette méthode doit permettre de simplifier et d’accélérer la fabrication de ces composants.

Imprimer les électrodes

La sérigraphie

Pour faire fonctionner une pastille piézoélectrique, il faut notamment lui associer des électrodes.

La technique utilisée ici repose sur la sérigraphie, un procédé qui rappelle celui d’un pochoir utilisé pour imprimer un motif sur un tee-shirt.

La machine permet de déposer les matériaux constituant les électrodes directement à l’endroit voulu et selon la forme souhaitée. Elle peut également répéter cette opération pour fabriquer plusieurs composants à la suite.

Une manière de rendre la fabrication des dispositifs piézoélectriques plus rapide et plus facilement adaptable.

Une structure en nid d’abeilles

La structure auxétique

Les chercheurs s’intéressent également à la géométrie des structures utilisées pour récupérer les vibrations.

Les structures auxétiques peuvent notamment prendre des formes proches de celles d’un nid d’abeilles, avec une succession d’alvéoles.

Cette géométrie permet de mieux répartir les déformations et les vibrations sur la structure. L’objectif est ainsi d’optimiser leur transformation en énergie électrique.

Ici, ce n’est donc pas seulement le matériau qui compte : la forme de la structure peut elle aussi permettre d’améliorer la récupération d’énergie.

De la découverte des Curie aux objets de demain

Depuis les premières expériences de Pierre et Jacques Curie sur les cristaux jusqu’aux recherches menées aujourd’hui à Talence, la piézoélectricité n’a cessé de trouver de nouvelles applications.

Avec PLAYER-ONE, Hélène Debéda et son équipe explorent une nouvelle étape : rendre les composants piézoélectriques plus simples à fabriquer, moins coûteux et plus facilement intégrables, tout en recherchant des matériaux plus respectueux de l’environnement et de la santé.

L’enjeu est notamment de pouvoir récupérer l’énergie de vibrations déjà présentes autour de nous.

Et si, demain, une partie de l’énergie nécessaire à nos petits objets électroniques venait tout simplement… de leurs vibrations ?

À propos de la bande dessinée

Cette bande dessinée, illustrée par Étienne Aubry, est née d’une idée originale d’Hélène Debéda et Baptiste Roux. Elle présente les recherches menées dans le cadre du projet PLAYER-ONE, coordonné par Hélène Debéda.

La médiation scientifique et le scénario ont été conçus par Jérôme Laniau, de l’association Trois Petits Points, et Victoire Hernandez, de l’Université de Bordeaux, en binôme avec la chercheuse.

Le projet ANR PLAYER-ONE (ANR-22-CE51-0030) est porté par le laboratoire IMS, avec comme partenaires l’ICMCB et SYMME.

Le projet EcoPiezo du GPR PPM est co-porté par l’ICMCB et l’IMS, avec comme partenaire l’UTC.

Cette bande dessinée est financée par l’Agence nationale de la recherche, dans le cadre du projet ANR NEOSS@UB22 de l’Université de Bordeaux.