PIE - Programme Interdisciplinaire Energie 2010-2013

En comparaison des végétaux supérieurs, les microorganismes photosynthétiques ont des capacités intrinsèques qui les positionnent favorablement dans nombre d’applications, notamment bioénergétiques. Comme principaux atouts on retiendra leur vitesse de croissance élevée et leur plasticité métabolique qui permet, par imposition de conditions adéquates, de forcer le microorganisme à une production d’un métabolite donné. Ainsi, selon l’espèce et les conditions appliquées, il est possible de produire de l’H_2 par biophotolyse de l’eau, de la biomasse végétale riche en lipides à vocation énergétiques (biodiesel) ou en sucres utilisables pour l’obtention de méthane (CH_4 ) ou d’hydrogène (H_2 ) par gazéification ou fermentation. Les photobioréacteurs (PBR) solaires développés actuellement sont des objets technologiques dans lesquels sont mises en oeuvre de telles réactions photosynthétiques en aval d’un système solaire à concentration. Nous nous intéressons ici plus particulièrement à des procédés dans lesquels les organismes croissent en volume dans un bain où l’éclairage interne est assuré par un réseau de fibres optiques à diffusion latérale. Il a été montré théoriquement que cette dilution du rayonnement fait qu’il est réaliste d’envisager une conception géométrique assurant un fonctionnement à l’optimum thermodynamique de la photosynthèse, ce qui représente un gain de deux ordres de grandeur en productivité surfacique par rapport à la photosynthèse en plein champ. Le présent projet vise à mettre en oeuvre l’ensemble des outils de conception optimum nécessaires. Cela implique avant tout le développement d’outils de simulation assurant la représentation du transfert radiatif en géométrie complexe (plusieurs milliers de fibres optiques), en présence de diffusion multiple par les micro-organismes (modélisés comme des particules à symétrie de révolution orientées aléatoirement), le tout en s’assurant de la compatibilité avec les modèles cinétiques non-linéaires de croissance photosynthétique. En particulier, les techniques de simulation radiatives de référence usuelles sont incompatibles avec les temps de calculs requis pour le couplage, et surtout pour l’application des procédures itératives d’inversion ("inverse geométric design"). La recherche proposée se positionne donc pour une large part dans le domaine de l’analyse statistique des chemins de multi-diffusion de façon à concevoir des paramétrisations radiatives appuyées sur une compréhension détaillée de la partie de l’espace des chemins optiques dominant les transferts. Nous nous appuierons notamment sur des résultats que nous avons publiés récemment concernant l’analyse statistique des photons courts.