Les vibrations causées par la circulation, les machines et même les mouvements subtils de la croûte terrestre s'avèrent être une source d'énergie étonnamment stable. Les chercheurs transforment ces vibrations invisibles en une source d'énergie continue, précisément là où il n'est pas possible de remplacer les piles ou d'installer des câbles électriques.
Les vibrations du sol sont omniprésentes. Un camion qui passe, une pompe en marche, un métro qui file sous terre ou des glissements microscopiques de la croûte terrestre : tous provoquent en permanence de petites vibrations. Elles sont généralement imperceptibles pour l'homme. Pour les ingénieurs, elles constituent une opportunité.
Des chercheurs de SINTEF collaborent avec l'université d'Uppsala et l'université du Chili pour développer une technologie qui transforme ces vibrations quotidiennes en électricité. Le projet, baptisé EVIBES, ne vise pas la production d'énergie à grande échelle, mais un créneau au potentiel énorme : des capteurs autonomes capables de fonctionner de manière indépendante pendant des années.
Des vibrations résiduelles à l'électricité utilisable
Le principe sous-jacent relève de la physique classique. Le mouvement peut être converti en énergie électrique. Dans ce projet, cela se fait de deux manières : via des matériaux piézoélectriques et par induction électromagnétique.
Matériaux piézoélectriques
Certains matériaux céramiques et cristaux génèrent une tension lorsqu'ils sont courbés ou comprimés. Cet effet piézoélectrique est déjà utilisé dans les allumeurs, les microphones et les capteurs à ultrasons. En dimensionnant intelligemment ces matériaux et en les adaptant à des fréquences de vibration spécifiques, ils peuvent fournir en continu de petites quantités d'électricité.
Induction électromagnétique
La deuxième méthode utilise des aimants et des bobines en mouvement. Lorsqu'un aimant se déplace par rapport à un conducteur, un courant électrique est généré – le même principe que dans un générateur. Dans les collecteurs de vibrations, des aimants miniatures sont suspendus de manière à résonner à des basses fréquences, typiques de la circulation routière ou des installations industrielles. La puissance reste limitée à quelques milliwatts. Mais cela suffit souvent.
Les milliwatts ont une valeur inestimable
Le monde se numérise à un rythme effréné. Les ponts, les tunnels, les canalisations d'eau, les mines et les sites de stockage de CO₂ sont de plus en plus souvent équipés de capteurs destinés à la surveillance structurelle, à la détection des fuites ou aux mesures environnementales. Dans bon nombre de ces applications, le remplacement des piles est coûteux, dangereux ou tout simplement impossible.
Un capteur ne nécessitant que quelques milliwatts peut, en théorie, fonctionner entièrement à l'énergie ambiante. Cela rend l'énergie vibratoire particulièrement intéressante pour les infrastructures souterraines, les mines profondes, les zones côtières isolées et les installations industrielles fermées.
Pas un concurrent du solaire et de l'éolien, mais un complément
Les chercheurs soulignent que l'énergie vibratoire ne remplace pas l'énergie solaire ou éolienne. Sa densité énergétique est trop faible pour cela. Mais en tant que complément, ce système peut jouer un rôle crucial dans la transition énergétique.
Les panneaux solaires fournissent beaucoup d'énergie pendant la journée, mais ne fonctionnent pas sous terre. Les éoliennes nécessitent de l'espace et une vitesse de vent suffisante. Les vibrations du sol, en revanche, sont souvent présentes 24 heures sur 24, indépendamment des conditions météorologiques. C'est précisément cette vibration de fond prévisible qui rend cette technologie intéressante pour une surveillance continue.
De la simulation aux essais sur le terrain
La recherche a commencé par le recensement des sources de vibrations : activité sismique naturelle, circulation routière, exploitation minière et processus industriels. Les chercheurs ont ensuite développé des modèles numériques pour déterminer la masse optimale, la constante de ressort et les propriétés des matériaux des harvesters.
Après des simulations approfondies, des essais en laboratoire ont été menés sur un banc vibratoire à Oslo, où des profils de vibrations réalistes ont été reproduits. Les premiers résultats montrent une bonne concordance entre le modèle et la pratique.
La prochaine étape consiste en une validation sur le terrain dans des conditions variées, notamment dans le nord du Chili. Là-bas, les prototypes seront exposés à des spectres de vibrations et à des conditions climatiques totalement différents de ceux de la Scandinavie.
Mise à l'échelle
La priorité est d'alimenter des capteurs simples, tels que des capteurs de pression ou de gaz. Si cela s'avère concluant, il sera possible de passer à des composants électroniques plus gourmands en énergie, comme la transmission de données sans fil (télémétrie).
L'accent passe ainsi de la simple production d'énergie à l'intégration de systèmes : le stockage d'énergie dans des supercondensateurs, l'électronique de puissance à très faible courant de repos et la gestion intelligente du cycle de service des capteurs deviennent au moins aussi importants que le harvester lui-même. L'energy harvesting n'est donc pas un composant isolé, mais une philosophie de conception : minimiser la consommation et maximiser l'utilisation de ce qui existe déjà.
Une technologie abordable au service d'une mission sociale
Le projet comporte également une dimension sociale. La technologie doit être abordable et robuste afin de pouvoir être déployée dans les régions à faibles revenus. On peut penser à des capteurs bon marché pour la qualité de l'eau ou la surveillance sismique dans des communautés isolées.
L'approvisionnement énergétique autonome peut y faire la différence entre des mesures ponctuelles et une surveillance continue – avec un impact direct sur la sécurité et la qualité de vie.
Petite source d'énergie, grand impact
Ce que cette recherche met surtout en évidence : la transition énergétique ne se limite pas aux mégaparcs éoliens et aux champs solaires. On assiste à un développement parallèle de micro-sources d'énergie qui rendent les appareils autonomes.
Dans un avenir où des milliards de capteurs seront connectés, même quelques milliwatts par site peuvent faire toute la différence. Le sol sous nos pieds ne reste jamais immobile. Et c'est précisément là que les scientifiques voient désormais une source d'énergie.