Les ailes des papillons Morpho inspireront-elles les centrales solaires du futur ?

Les ailes des papillons, comme celles du Morpho, présentent des couleurs vives et irisées qui ne proviennent pas de pigments, mais de microstructures nanométriques (1000 fois plus fines qu’un cheveu).

Ces structures agissent comme des prismes optiques : elles réfléchissent certaines longueurs d’onde de la lumière tout en en laissant passer d’autres.

Ce phénomène, appelé structures photoniques, permet de créer des effets de couleur changeants selon l’angle de vue.

Les chercheurs en photonique étudient ces mécanismes naturels pour les reproduire en laboratoire, avec pour objectif de concevoir des surfaces capables de manipuler la lumière avec une précision extrême, comme un miroir pour certaines couleurs et une vitre transparente pour d’autres.

La lumière du Soleil est composée d’un large éventail de longueurs d’onde, allant des ultraviolets (invisibles) aux proches infrarouges (invisibles également), en passant par la lumière visible.

Les cellules photovoltaïques en silicium, utilisées dans les panneaux solaires classiques, ne convertissent qu’une partie de ce spectre, principalement entre 350 et 1100 nanomètres.

Le reste de la lumière est perdu sous forme de chaleur, ce qui réduit l’efficacité des panneaux et dégrade leurs performances dès 25°C.

À l’inverse, les technologies solaires thermiques exploitent l’ensemble du spectre solaire, mais ne produisent pas directement d’électricité.

Pour optimiser l’exploitation de l’énergie solaire, des systèmes hybrides combinent les avantages du photovoltaïque et du solaire thermique.

L’idée est d’utiliser un filtre optique pour séparer la lumière en deux parties : les longueurs d’onde « utiles » (comme la lumière visible) sont dirigées vers une cellule photovoltaïque pour produire de l’électricité, tandis que le reste est redirigé vers un système thermique pour générer de la chaleur industrielle (entre 150 et 250°C).

Ce procédé, appelé découpage spectral, pourrait augmenter la production globale d’énergie de 20 à 30 % par rapport à une installation photovoltaïque seule.

Les structures photoniques des ailes de papillons offrent un modèle idéal pour concevoir des filtres optiques performants.

En s’inspirant de l’évolution naturelle, les chercheurs utilisent des algorithmes d’optimisation mimant la sélection naturelle pour explorer des millions de combinaisons de structures et identifier celles qui répondent le mieux aux besoins industriels.

Ces solutions, souvent plus simples et moins coûteuses que les méthodes traditionnelles, permettent de réfléchir ou de transmettre sélectivement certaines longueurs d’onde, comme le font les traitements antireflets des lunettes, mais avec une précision bien supérieure.

Les revêtements inspirés des papillons permettent de séparer les flux d’énergie sans contact direct entre les sous-systèmes, évitant ainsi les pertes thermiques qui pénalisent les technologies hybrides classiques.

Ils pourraient être intégrés dans des centrales solaires compactes, combinant photovoltaïque et solaire thermique à concentration (CST).

À ce jour, aucune centrale commerciale n’existe, mais un mini-démonstrateur a été proposé.

Ces technologies pourraient répondre à des besoins industriels variés, comme la production de vapeur ou certains procédés chimiques, tout en maximisant l’exploitation de la ressource solaire.

Les chercheurs valident actuellement ces concepts sur des prototypes de petite taille, avec des dépôts réalisés sur des substrats de silicium de quelques centimètres.

Les résultats expérimentaux confirment les prédictions numériques, mais le passage à plus grande échelle reste un défi, notamment en termes de vieillissement des matériaux et de réduction des coûts.

Des collaborations sont en cours, notamment avec le centre aérospatial allemand (DLR), pour tester ces revêtements sur des cellules photovoltaïques complètes et envisager leur intégration dans des systèmes réels.