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La pyramide de Shimizu, l’exemple d’une possible alliance entre l’architecture et l’écologie

Envisager la construction d’une colonie martienne par des robots peut peut passer pour un projet complètement fou, mais il ne l’est pas beaucoup plus que celui de la Pyramide de Shimizu.

Pour faire face à l’accroissement de la population et au manque de place chronique de l’agglomération tokyoïte coincée entre la mer et la montagne, l’architecte japonais a imaginé de construire une pyramide tubulaire de 2004m de haut qui pourrait accueillir 750 000 habitants dans la baie de Tokyo. Pour ce faire des dizaines de buildings de 80 étages chacun devraient être suspendus à l’intérieur de la structure. Aucunes fondations ne pourraient supporter son poids si elle devait être construite avec des matériaux tels que l’acier et le béton, aussi envisage t-on d’utiliser le carbone sous forme de nanotubes, elle serait alors 100 à 200 fois plus légère. Son édification devrait être confiée à des robots qui produiront les nanotubes et les tisseront sur place, à la manière des araignées.

Si le problème de la croissance démographique ne se pose plus vraiment pour le Japon qui devrait voir sa population diminuer au cours du XXI ème siècle, le projet pourrait bien être repris à leur compte par l’Inde ou la Chine qui s’attendent chacun à ce que 300 à 400 millions de ruraux viennent peupler leurs villes déjà tentaculaires au courant des 30 à 50 prochaines années. Pour eux, le problème est bien plus concret que celui d’une éventuelle colonisation martienne à une date indéterminée, mais la structure qu’il faut mettre en place est relativement similaire. Si nous voulons continuer à avoir quelque chose à leur vendre, nous ferions bien de nous intéresser à ce dont ils auront besoin dans un proche avenir.

Ce nouveau type de construction ne vise pas seulement à résoudre le problème du manque de surface disponible pour l’extension des villes, mais aussi celui du déplacement en réduisant les distances à parcourir et donc le temps passé dans les transports en commun. L’édifice ne devrait en effet pas se réduire à un quartier d’habitation, mais il devrait comporter tout ce qui fait une ville avec ses administrations, ses locaux professionnels, essentiellement des bureaux, ses espaces commerciaux, ainsi que des complexes de loisir. Pour relier tous ces différents lieux de vie entre eux, 140 km de passerelles couvertes sont prévus, parmi lesquels des ascenseurs verticaux tels que nous les connaissons, mais aussi d’autres qui se déplaceront en diagonale entre les immeubles proches des différents étages, tous ceux qui ont un souvenir du théorème de Pythagore savent que la diagonale est plus courte que l’addition des côtés de l’angle droit, des trottoirs roulants rapides pour relier les bâtiments d’un même étage et des installations sur la structure même de la pyramide qui pourront accueillir des transports en commun ou des cabines individuelles automatiques pour parcourir plusieurs étages en perdant le moins de temps possible. Tous ces moyens de locomotion fonctionneront à l’électricité, il n’y aura donc pas de pollution due aux gaz d’échappement, la qualité de l’air devrait s’en trouver améliorée.

L’énergie nécessaire à son fonctionnement est un autre problème qu’il faut résoudre dans ce genre de structure. Elle a été pensée avec l’objectif d’assurer au maximum son autosuffisance. Pour cela, elle devrait être dotée de plusieurs moyens de production novateurs. Outre les éoliennes, la pyramide située en mer pourrait aussi bénéficier de la récupération de l’énergie des vagues. Plusieurs dispositifs qui vont dans ce sens ont été étudiés, dont le Searev de l’école centrale de Nantes, le Pelamis mis au point par une société écossaise a même fait l’objet d’une tentative d’exploitation commerciale en 2008 mais il n’a fonctionné que deux mois avant de tomber en panne. Pelamis Wave Power espère que ces problèmes techniques seront résolus avec Pelamis 2. Les hydroliennes sont une autre voie pour récupérer l’énergie des océans, elles utilisent quant à elles les courants marins à la façon des éoliennes.

En plus de ces procédés, il devrait être possible de produire de l’électricité en épurant les eaux usées par la même occasion, et ce grâce aux bactéries (voir aussi La production d’électricité à partir d’eaux usées n’a plus de limite – futura-sciences.com le 5 mars 2012- et Une pile microbienne à plantes pour l’électricité de demain ? -futura-sciences.com le 27 novembre 2012). Lorsqu’elles dégradent de la matière organique, des sucres, des lipides ou de l’alcool, les bactéries telles qu’Escherichia Coli produisent des électrons dont elles doivent se débarrasser. Ordinairement elles les transmettent à l’oxygène de l’air qui va réagir avec de l’hydrogène pour donner de l’eau. Toute l’astuce consiste à obliger les électrons à passer dans un circuit pour rejoindre l’oxygène, soit à délocaliser la réaction comme le fait la chlorophylle avec les électrons arrachés par la lumière. Pour cela, il suffit que le milieu de culture des bactéries ne contienne pas d’oxygène mais qu’il se trouve dans un autre compartiment relié par un fil électrique. Le voyage des électrons entre les deux compartiments produit le courant. La difficulté consiste à concevoir l’électrode à laquelle les bactéries doivent transmettre les électrons qu’elles produisent qui doit avoir une grande surface (une anode fractale serait éventuellement une solution) et qui a tendance à s’encrasser rapidement lorsqu’elle est uniquement composée de métal, il faut la recouvrir d’un polymère. En 2003, Uwe Schröder de l’université de Greiswald a ainsi réussi à produire un courant de 1,5mA/cm2 alors que la performance se limitait auparavant à quelques microampères.

Le dernier défi que se doit de relever la Pyramide de Shimizu est celui de la production des aliments pour nourrir ses habitants. Une partie du problème pourrait être réglé par des fermes verticales dans lesquelles seraient cultivées des céréales ainsi que des fruits et des légumes. On pourrait encore y pratiquer l’élevage de porcs, de volailles et de poissons qui seraient nourris avec les végétaux produits sur place, voire avec des protéines issues d’élevages d’insectes qu’ils auront moins de réticence à ingérer que les humains. Leurs déjections pourraient être reconverties en engrais pour fertiliser les plantations ou alors venir alimenter les piles à bactéries qui ont été évoquées plus haut. L’avantage du système est qu’il réduit à la fois la consommation d’énergie nécessaire au transport et au stockage des produits frais. Par contre le risque de pandémie est élevé dans cet environnement clos, mais il l’est aussi dans les élevages intensifs ainsi que pour les cultures hydroponiques qui se font sous serre ou les champs où se pratique la monoculture. C’est pourquoi il faudra contrôler sévèrement tout ce qui y entrera et bien séparer chaque activité. En complément, chacun pourrait avoir chez soi un potager domestique composé de plantes, d’algues et de poissons, alimenté par nos propres déchets organiques, comme se propose de le faire l’unité de « home farming » présentée par Philips en 2009.

Si les villes, qui abritent aujourd’hui déjà plus de la moitié de le population mondiale, parvenaient par ces moyens à assurer leur autosuffisance alimentaire, cela permettrait de relâcher la pression exercée sur le milieu naturel et aux paysans de pratiquer une agriculture qui viserait à produire de la qualité plutôt que de la quantité, comme ce fut le cas pour les viticulteurs qui ont dû se tourner vers la production de vins plus sophistiqués au fur et à mesure que la consommation diminuait. Leurs revenus s’en sont trouvés améliorés. L’autre intérêt est stratégique, en cas de conflit, il deviendrait plus difficile d’affamer la population comme cela s’est par exemple passé pour Leningrad lors de la seconde guerre mondiale.

Récemment, Shimizu a présenté un autre projet futuriste: Green Float.

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La centrale solaire spatiale et ses enjeux

Dans la perspective de remédier à leurs problèmes d’indépendance énergétique, les japonais ont par exemple repris à leur compte le projet de centrale solaire orbitale initié par l’américain Peter Glaser en 1968 qu’ils comptent réaliser à l’horizon 2040 (Electicité sans fil: le Japon bat un record de puissance et de distance. Futura-sciences). Elle devrait être dotée de deux panneaux solaires de 3km², elle pèserait alors autour de 20 000 tonnes. Le coût de la mise en orbite d’une masse aussi importante serait certes exorbitant, mais il faut le comparer au coût de développement d’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le futur réacteur expérimental pour la fusion nucléaire qui a récemment été revu à la hausse, passant de 8 à 16 milliards d’euros. Cette dernière technologie n’offre aucune garantie de succès alors que celle de la centrale solaire orbitale utilise des composants qui ont déjà été depuis longtemps éprouvés. Les japonais participent aussi à ce projet, ils ont décidé de ne pas mettre tous leurs œufs dans le même panier. L’un des gros problèmes de la recherche européenne est qu’elle investit des sommes colossales dans de grands projets comme ITER ou le LHC (Large Hadron Collider) au lieu de financer de nombreuses expériences plus modestes qui pourraient s’avérer tout aussi déterminantes pour la science et l’industrie si on prend en compte le principe d’émergence qui veut que le tout suit des règles qu’on ne peut pas déduire de l’analyse de ses parties. Bien que la recherche du boson de Higgs soit tout à fait passionnante, surtout si on découvrait qu’il n’existe pas car cela obligerait les chercheurs à proposer un nouveau modèle pour la physique, son coût handicape les travaux qu’il faudrait mener dans les autres domaines, la chimie et la biologie en particulier.

Depuis 1997, la NASA a elle aussi recommencé à étudier la faisabilité d’un tel dispositif par l’intermédiaire du système SBSP (Space Based Solar Power) qui vise à résoudre les différents problèmes liés à sa réalisation. Outre ceux de poids et de transmission (voir Transmission d’énergie sans fil et Objectif Mars) qui ont déjà été évoqués, se pose celui de l’usure des cellules photovoltaïques qui détermine la durée de vie de la centrale. Si le positionnement dans l’espace donne l’avantage d’une meilleure exposition au rayonnement solaire en évitant les pertes dues à la réfraction de l’atmosphère, il accélère d’autant le vieillissement des panneaux, tout comme c’était le cas pour les premières cellules vivantes qui ne bénéficiaient pas encore de la protection anti-UV de la couche d’ozone ni de coquille calcaire.

Pour remédier à cet inconvénient, les chercheurs s’inspirent directement des mécanismes mis en place par les organismes qui pratiquent la photosynthèse, ils visent à reproduire la fonction qui leur permet de s’autoréparer. L’idée peut paraître complètement folle, mais depuis peu des chimistes du MIT (Massachusets Institute of Technology) sont parvenus à cette incroyable performance qui nous rapproche de ce que j’ai appelé « conception biologique des machines »(cf « La Recherche » N° 446 de Novembre 2010 p30« Mimer les plantes pour produire de l’électricité »). Pour réaliser cet exploit; ils se servent de quatre types de molécules plongées dans une solution aqueuse et d’un agent tensioactif, le cholate de sodium. Deux de ces molécules sont issues de la membrane de Rhodobacter sphaeroides, une bactérie capable de photosynthèse, les deux restantes étant d’une part une chaîne de lipides et de l’autre un nanotube de carbone. Ces ingrédients réunis permettent d’assembler et de désassembler des cellules photovoltaïques à volonté, selon le principe de l’autoconstruction, déterminant dans l’organisation de tous les systèmes vivants, cher au codétenteur du prix Nobel de chimie 1987, Jean-Marie Lehn.

Quand elles sont dans l’eau, ces quatre molécules forment automatiquement une cellule photosensible, mais elles se dissocient lorsqu’on ajoute du cholate de sodium, elles se réarrangent lorsqu’on le retire. Aussi suffit-il de filtrer les molécules endommagées par la lumière pour les remplacer par d’autres qui sont intactes pour obtenir à nouveau des cellules solaires parfaitement fonctionnelles. Il suffit pour cela de stopper momentanément la production d’électricité le temps d’effectuer le processus d’introduction/retrait de l’agent tensioactif, c’est à dire de littéralement mettre le dispositif en sommeil à l’instar des algues qui plongent vers les abysses pour se régénérer pendant la nuit (voir La révolution bleue §3). Cette phase pourra être entreprise un panneau à la fois, à la manière des dauphins dont un hémisphère dort pendant que l’autre reste en veille pour s’assurer qu’ils remontent à la surface pour respirer pendant leur temps de repos. Cela pourra avoir lieu lorsque les consommateurs que nous sommes sont à leur tour plongés dans les bras de Morphée, au minimum de notre consommation d’énergie.

L’absence d’une atmosphère protectrice pose encore un autre problème, celui des micrométéorites qui risquent d’endommager les panneaux alors qu’elles se consument avant d’atteindre le sol lorsqu’ils se trouvent sur Terre. Il faudra donc que la centrale soit en mesure de réparer toute seule les trous qui pourraient apparaître dans les membranes photosensibles qui seront exposées à ce risque faute de pouvoir bénéficier du même blindage que le corps de l’engin, ce qui revient à lui donner la capacité de cicatriser. Les futures habitations martiennes devront être dotées de la même fonction, les deux dispositifs pourraient d’ailleurs être constitués à partir du même type de structures gonflables.

Ce genre de projets existe depuis les années 1960 mais aucun n’a pu aboutir à cette époque à cause de difficultés techniques comme la réalisation de la liaison entre structure souple et structure rigide sans qu’il n’y ait de fuite et plus encore par manque de crédits pour les résoudre. L’évolution des matériaux ainsi que la perspective du développement d’une industrie du tourisme spatial ont récemment provoqué un regain d’intérêt de la part d’entreprises privées pour cette technologie innovante. ILC Dover a par exemple présenté un projet de tentes lunaires dans l’optique d’un possible retour des Etats-Unis sur l’astre de la nuit, mais Bigelow Aerospace semble être la firme la plus avancée dans ce domaine, elle a déjà placé en orbite deux modules expérimentaux depuis 2006. Ils ont donné des résultats fort satisfaisants avec une durée de vie estimée à 10 ans alors que les ingénieurs tablaient initialement sur un an seulement. Aussi le lancement d’un troisième prototype est-il envisagé d’ici à 2014. Cette future station spatiale destinée à accueillir un hôtel-casino restera dans la proche banlieue de la Terre, elle pourra donc être rapidement évacuée en cas de problème; son exploitation ne nécessitera pas obligatoirement qu’elle puisse s’auto-réparer comme dans le cadre d’une mission d’exploration lointaine.

Le mécanisme d’auto-réparation de ces structures gonflables devra être comparable à celui de la paroi de nos cellules lorsqu’elles se retrouvent percées, par exemple par une aiguille, comme c’est le cas de l’ovocyte pour une fécondation in vitro par injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes. Seule une faible quantité de cytoplasme est éjectée lors du retrait de l’aiguille, la cellule ne se vide pas de sa substance avant de se refermer, elle garde ainsi toute sa fonctionnalité. Cela dépendra directement des propriétés du matériau utilisé sans qu’il n’y ait besoin d’aucune intervention extérieure.

Si la régénération des cellules photovoltaïques et l’auto-réparation des panneaux solaires devraient être en mesure d’assurer un temps de vie assez long au dispositif, il n’est pas à exclure que des pannes plus importantes surviennent, comme ce fut le cas pour Deep Space 1 avec les caméras du système autonav. Il faudra alors remplacer les pièces endommagées pour que la centrale continue à fonctionner normalement. Comme il est aussi coûteux que périlleux d’envoyer des techniciens pour ce faire, cette mission devrait être confiée à des robots. Ils pourraient rester à demeure sur l’engin en état de veille avec un stock des pièces de rechange identifiées comme les plus fragiles, la durée de vie d’un système étant déterminée par son élément le plus faible, mais on peut aussi imaginer qu’ils fassent partie d’un module autonome qui se chargerait alors de l’entretien de plusieurs centrales, voire de leur démantèlement pour récupérer les pièces intactes en cas de panne irréversible.

Transmission d’énergie sans fil

En l’état actuel de nos connaissances, les panneaux solaires sont les seuls candidats susceptibles de subvenir aux besoins énergétiques d’une expédition martienne, si on considère qu’il est trop dangereux d’emmener un réacteur nucléaire. Mais le plus grand éloignement de Mars par rapport au Soleil fait qu’il arrive ,au mieux, seulement la moitié du rayonnement disponible sur Terre. Aussi la puissance fournie par ce type de dispositifs ne permet de faire fonctionner les rovers qu’en été, ils sont obligés de rester en stand by pendant tout l’hiver, c’est à dire 6 mois terrestres à peu près dans l’hémisphère nord, la plus ensoleillée. (l’axe de rotation de Mars, plus incliné que celui de la Terre, fait qu’il y a de fortes disparités entre les deux hémisphères. L’année martienne dure 23 mois terrestres environ. La première mission habitée se posera forcément au nord, en été.) Ainsi, avec une surface d’1,3 m², les panneaux solaires d’Oppurtunity peuvent fournir jusqu’à 1kW-heure dans des conditions optimales, mais cela tombe à 200 W-heure en hiver, soit tout juste assez pour maintenir ses besoins vitaux qui sont de 150 W-heure .Cela ne poserait pas de problème à une mission habitée si seules les saisons pouvaient produire ces variations, mais un autre phénomène provoque les mêmes effets: les légendaires tempêtes de poussière, qui sont elles imprévisibles et peuvent être planétaires, comme en 1971 et 2001 dans une moindre mesure.

 

La solution pour augmenter la quantité d’énergie disponible consisterait peut être à la produire ailleurs qu’à la surface de la planète, dans l’espace, puis à la transmettre au sol. Il suffirait de faire remonter le module de propulsion des cargos inhabités ayant servi à amener le fret sur une orbite stationnaire au dessus du lieu choisi pour l’implantation de la base, puis de reconvertir l’alimentation des moteurs ioniques en centrale énergétique; la transmission pourrait s’effectuer par micro-ondes. Ce module ferait aussi office de relais pour les communications avec la Terre, Opportunity ne dispose que de 10 minutes de connexion à un débit satisfaisant (32kbits/s) lorsque Mars Odyssey, resté en orbite basse, passe dans son champ de vision. Il en faudra plusieurs pour former un réseau qui puisse assurer la permanence du lien avec les terriens.

 

L’idée de transmettre l’énergie à distance sans aucun support matériel n’est pas neuve, Nikola Tesla y travaillait déjà en son temps (il faut être très prudent lorsqu’on effectue des recherches à son sujet sur internet, les gourous du grand complot mondial se servent de ses travaux pour alimenter leurs délires dans l’optique de recruter de nouveaux adeptes, méfiance! Ils sont du côté obscur de la nouvelle inquisition.), elle est aujourd’hui en plein développement sous le nom de Witricity, pour wireless electricity. A l’automne 2010, les Chinois ont annoncé qu’ils commercialiseraient sous peu une télévision totalement dépourvue de câbles, y compris pour son alimentation. Pour l’instant le système n’est vraiment performant que sur de faibles distances, l’exemple le plus connu est celui de l’induction qui permet de recharger une batterie ou de faire chauffer une casserole avec un rendement exceptionnellement bon sans qu’il y ait contact direct avec la source d’énergie. La distance est certes très réduite, mais ce n’est pas qu’un fantasme de science fiction, l’énergie traverse bel et bien la plaque vitrocéramique ou le plastique.

 

Pour augmenter la portée du dispositif, il convient d’utiliser d’autres fréquences du rayonnement électromagnétique; les micro-ondes sont les meilleures candidates à ce jour, mais il est difficile de les focaliser sur de très longues distances et la puissance nécessaire à l’alimentation en énergie les rend dangereuses, à moins de les diluer, ce qui augmente considérablement la taille des antennes pour les collecter, le laser serait idéal, il se voit et peut être coupé instantanément au cas où il dévierait de sa cible. Depuis octobre 2010, LaserMotive détient le record de durée de vol pour un drone de moins d’un kilo, plus de douze heures, grâce à l’alimentation de sa batterie par laser. La même start-up avait déjà remporter un prix pour avoir propulsé un robot le long d’un câble de 900m à l’aide de la même technologie; son rendement est de l’ordre de 20% à l’heure actuelle.

 

En 1975, la NASA a mené une expérience de transmission par micro-ondes sur une distance d’un kilomètre, pour ce faire, elle utilisait une antenne d’écoute de l’espace profond en guise de collecteur. Les résultats ont été tout à fait satisfaisants, 82% de l’énergie envoyée a pu être récupérée, soit une perte à peine plus élevée que les 15% d’une ligne classique. A partir de 1994, une étude a été menée sur l’île de la Réunion, elle avait pour but de relier au réseau le village de Grand Bassin qui se trouve dans une vallée très difficile d’accès, ce qui entraîne des coûts très élevés même pour une alimentation par la voie classique, une transmission sans fil aurait l’avantage de préserver le paysage. Cela a donné lieu a une démonstration sur 50m, effectuée dans un gymnase le 16 mai 2001. Bien qu’elle ait été couronnée de succès, il semble que le projet ait du mal à aller plus avant, d’une part à cause des difficultés techniques, en particulier la synchronisation des magnétrons nécessaire à la formation du faisceau, elles ont été résolues en 2004, mais aussi à cause de la réticence actuelle envers les ondes de tous types qui remet en cause leur innocuité pour l’environnement et la santé.(dans notre cas le seuil maximal a été fixé à 5mW par mètre par précaution) Ce dernier critère prend beaucoup moins d’importance lorsqu’il s’agit d’une entreprise aussi périlleuse qu’une expédition vers Mars, la perspective d’un conflit nucléaire le rendrait encore beaucoup plus relatif.

 

Trêve de mauvais esprit, la ténuité de l’atmosphère martienne, sa pression n’est que de 610 Pa en moyenne alors qu’elle est d’environ 101 000 Pa sur Terre, est un avantage qui facilite la réalisation d’un système de transmission d’énergie sans fil, cela diminue les risques de dispersion par le phénomène de claquage, c’est à dire de formation d’arcs électriques semblables aux éclairs provoqués par les orages. Cela se produit lorsque la quantité d’énergie qui traverse l’air dans le faisceau dépasse la capacité d’isolation de l’air environnant. Moins il y a d’air plus le faisceau peut être puissant, mais il ne faudrait pas se retrouver dessous au cas où il raterait sa cible. Il convient donc de vérifier en permanence son alignement à l’aide d’un laser, en l’absence du nuages, rien ne s’oppose à son passage.

 

Tout cela ne résout pas le problème des tempêtes de poussière qui empêcheraient le système de fonctionner correctement. Il faudra donc à terme être capable de stocker l’énergie pendant une période qui dépasse largement la durée de la nuit martienne. Les batteries qui sont utilisées dans ce but présentent l’inconvénient d’être lourdes, aussi serait-il judicieux de produire une forme de carburant sur place, soit de l’hydrogène, mais là aussi son stockage est assez problématique, non pas à cause des risques d’explosion comme sur Terre où l’oxygène représente 18% de l’air engendrant le danger, sur Mars, le taux tombe à 0,13%, mais en raison du volume qu’il prend à l’état gazeux sous une pression aussi faible. Ou alors nous pourrions peut être essayer de produire des combustibles plus classiques, des huiles, des sucres ou de l’alcool, ainsi que l’oxygène nécessaire à leur combustion et accessoirement à la respiration des astronautes, grâce à des microorganismes, ce qui nous ferait entrer dans le cadre de la révolution biologique dont j’ai parlé plus haut. La chlorophylle est le meilleur outil pour convertir l’énergie solaire en combustible: le bois, le charbon, le pétrole ou le gaz naturel n’existent que grâce à elle. L’oxygène que nous respirons aussi.