Utilisation du Biomimétisme pour innover durablement
Dernière modification le 26/02/16
III/ Notre futur: le développement durable en utilisant le biomimétisme en Martinique
A/ Le problème des énergies fossiles non renouvelables
En Martinique, et dans le monde en général, l’énergie est essentiellement d’origine fossile notamment le pétrole. La centrale EDF principale à Bellefontaine utilise du fuel lourd. Ces énergies fossiles sont limitées en quantité et polluantes, provocant notamment une accentuation de l’effet de serre.
Le schéma ci dessus montre que nous avons atteint le pic de production maximum de pétrole et que à partir de maintenant les réserves ne feront plus que diminuer. De plus leur exploitation sera de plus en plus difficile: plus coûteuses financièrement et écologiquement.
Ainsi si notre mode de vie reste inchangé, les nombreuses catastrophes qui existent déjà à ce jour vont être amplifiées et plus fréquentes avec des conséquences irréparables sur notre environnement et notre santé.
L'évolution du taux de CO2 est compliquée par son cycle qui touche tous les milieux : océans, sols, faune, flore, air.
Représentation schématique de la perturbation du cycle global de carbone à cause des activités humaines de 2002 à 2011. La combustion d'énergies fossiles, la production de ciment, la déforestation et les feux de forêt contribuent à émettre du CO2 tandis que la végétation et les océans le séquestrent. Les unités sont en milliards de tonnes par an.
Source : GIEC (Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) , 2013
Par exemple la Martinique est menacée par la montée des eaux.
Vu le développement continuel de nos activités industrielles et la diffusion du modèle de consommation occidental partout dans le monde, le scénario le plus communément envisagé pour 2100 est celui où la concentration en CO2 aura doublé par rapport à l'ère pré-industrielle pour s'élever à 560 ppm*. La température de la Terre s'élevera alors de 3°C en moyenne d'ici à 2100 : un scénario catastrophe.
Ainsi, la moitié seulement du CO2 rejeté par les activités humaines s'accumule dans l'atmosphère, l'autre moitié étant absorbée par les puits de carbone que sont les océans, les sols, la faune et la végétation déjà bien malmenés.
Toutefois, le puit océanique n'est pas sans limite et cette absorption peut entraîner de graves conséquences pour la vie marine à moyen terme. Les changements climatiques induits par cette augmentation de la concentration des gaz à effet de serre auront des conséquences multiples et difficiles à cerner.
Cependant, ils devraient causer des modifications, aux échelles régionale et planétaire, de la température, des précipitations et d'autres variables du climat. Cela pourrait se traduire par des changements mondiaux dans l'humidité du sol, par une élévation du niveau moyen de la mer et par la perspective d'épisodes plus graves de fortes chaleurs, d'inondations, de sécheresses…
Ce réchauffement risque de provoquer une hausse des précipitations car une plus grande quantité d'eau sera évaporée. Résultat : les inondations seront de plus en plus fréquentes et occasionneront des extinctions massives d'espèces.
Exemple: Les inondations meurtrières qui ont frappé le Pakistan en 2010 sont dues en grande partie à la fonte des glaciers de l’Himalaya, elle-même due au réchauffement climatique.
Ses conséquences sur l’environnement seront irremédiables. En effet le réchauffement climatique a atteint le Groenland où la glace fond de plus en plus vite.
En dix ans à peine on constate des écarts de températures de plusieurs dizaines de degrés sur une même période.
Cette fonte des glaces entraîne la montée des eaux qui menace de plus en plus d’îles et de villes littorales.
Les scientifiques ont calculé que le niveau de la mer s’est élevé de 18cm entre 1870 et 2000, avec une amplification ces dernières années (+6cm en 20 ans). Selon les prévisions des experts du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), le niveau moyen des mers et des océans pourrait s’élever de 26 à 82cm à l’horizon 2100. Menaçant de fait les îles, deltas ou encore les zones côtières.
La sécheresse se verra également renforcée suivant la hausse réelle des températures. Les continents les plus pauvres seront les premières victimes de ces changements climatiques comme l'Afrique. Ils subiront de plein fouet les effets négatifs du fait de leur faible capacité à s'adapter.
Dans tous les cas de figure, l'inégalité entre le Nord et le Sud devrait se renforcer. Les pays les mieux informés et disposant des moyens nécessaires pourront adapter leurs cultures au changement climatique.
Toute cette pollution a des répercutions sur notre environnement, mais aussi sur notre santé, en effet une qualité de l'air dégradée conduit à une sur-représentation de diverses pathologies : irritations rhino-pharyngées et oculaires, augmentation de la résistance pulmonaire, déclenchement de crises d'asthme, effets sur le système cardiovasculaire...
Les moustiques du genre Aedes, vecteurs de la dengue, sont très sensibles aux conditions météorologiques.
Moustique du genre Aedes
Le chikungunya présent en Martinique est transmis par le moustique tigre (Aedes aegypti).
L’épuisement des énergies fossiles et leur dégradation de l’environnement oblige dans le monde et surtout en Martinique à repenser totalement notre orientation énergétique.
Il faut donc utiliser les énergies renouvelables comme l’énergie éolienne, l’énergie solaire et l’énergie hydraulique.
*Nombre de molécules du gaz à effet de serre considéré par million de molécules d’air.
Unité : 1 partie pour million (10-6). Par exemple, 1 ppm = 1 mg par kg ou 1 gramme par tonne ou 1 ml par m3.
B/ Ressources renouvelables utilisation de l’énergie solaire: la photosynthèse
Le soleil est aujourd’hui la source d’énergie renouvelable la plus abondante. Elle est utilisée pour fabriquer de l’électricité. Mais contrairement aux centrales classiques, l’énergie n’est pas disponible en continu au cours de la journée : il faut trouver un moyen efficace et peu cher de stocker cette énergie. Beaucoup de travaux sont donc menés pour imaginer des batteries plus performantes, moins chères et plus durables.
Les panneaux solaires, produisent de l’énergie en utilisant les rayons du soleil. Cette technique utilise l’effet photoélectrique présent dans la nature. Il s’agit bien de biomimétisme. Cependant le rendement énergétique de ces panneaux est de 12 à 20 %, ce qui est très faible, même pour la Martinique qui est un endroit très ensoleillé. La surface nécessaire de panneaux est trop importante pour combler notre énergie.
La recherche actuelle, notamment au MIT (Massachusetts Institute of Technology) a mis au point une feuille artificielle, basée non pas uniquement sur l’effet photoélectrique, mais sur les principes de la photosynthèse. Qui serait bien plus intéressant pour la Martinique.
Quel est le principe de la photosynthèse naturelle?
La photosynthèse se déroule en deux phases:
Phase sombre, ou cycle de Calvin:
Cette phase ne nécessite pas d'énergie lumineuse. Elle se produit donc de jour comme
de nuit. Elle consiste à utiliser l'énergie chimique stockée sous forme de NADPH (Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate)
lors de la première phase pour synthétiser, à partir du gaz carbonique entré dans la feuille
par des espaces appelés stomates, des molécules de glucides de petites tailles (sucres simples). Le gaz carbonique est dit « fixé »,
« capté » ou « emprisonné » par la plante. Les sucres créés sont soit utilisés dans d'autres réactions biochimiques, soit stockés sous
forme d'amidon. Cette phase n’est pas présente lors de la photosynthèse artificielle.
Phase claire = phase photochimique: Elle consiste à transformer l'énergie lumineuse du soleil en une énergie chimique. Par un processus photophysique (l'absorption d'un grain de lumière appelé photon), l'énergie du Soleil est captée par des petites molécules colorées, appelées pigments, dont la plus connue est la chlorophylle, de couleur verte. Cette phase dite claire est constituée en fait d'une multitude de réactions faisant intervenir de nombreuses entités aussi diverses que le photon, l'électron, la molécule d'eau, le gaz carbonique, et des assemblages de protéines, relativement grands, que l'on nomme photosystèmes. C'est lors de cette phase qu'un de ces photosystèmes brise la molécule d'eau liquide et rejette du gaz oxygène.
La photosynthèse, est une électrolyse de l’eau : c’est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique. Pour essayer d’améliorer l’électrolyse de l’eau alimentée par énergie photovoltaïque, il nous faut donc imiter la nature en trouvant un très bon catalyseur de la réaction d’oxydation de l’eau. Il s’agit d’un exemple de biomimétisme. En juin 2011, une équipe du MIT(Massachusetts Institute of Technology ) dirigée par Daniel Nocera a réussi à recréer une feuille artificielle capable de décomposer l'eau en oxygène et hydrogène grâce à la seule lumière du soleil. Cette étonnante innovation repose sur un matériau composite associant silicium, cobalt et nickel. Cette "feuille" placée dans 4 litres d'eau permettrait, par temps ensoleillé, de fournir suffisamment d'énergie à un foyer pendant une journée.
La feuille artificielle réalise également un craquage de l’eau, mais son but est quand à elle de produire de l’hydrogène. Elle est reliée à des panneaux solaires qui fournissent l’énergie nécessaire à la réaction.
Fonctionnement de la feuille artificielle
La feuille artificielle est plongée dans un bassin d'eau et elle est éclairée. C’est un système qui n'a besoin d'aucun circuit électronique, ni d'alimentation nécessaire à son fonctionnement. Elle est organisée en plusieurs couches de différents matériaux. Chaque matériau joue un rôle important dans le processus de séparation de la molécule d'eau qui est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène reliés par des liaisons "fortes". La première couche de la feuille artificielle est chargée de collecter les rayons lumineux, elle est composée de silicium. L'énergie engendrée par les photons présents dans les rayons lumineux entraine un déplacement d'électrons. Ce mouvement permet la dissociation de la molécule d'eau avec une seconde lamelle à base de cobalt qui va alors catalyser (abaisse le niveau d’energie necessaire à la réaction) la réaction. Il se forme ainsi du dioxygène et des protons H+. Les bulles de dioxygène vont se former du côté de la couche de cobalt tandis que les protons H+ vont eux être envoyés vers une couche de nickel, molybdène et de zinc (alliage) sur l'autre face de la plaque de silicium. Et ainsi former du dihydrogène avec les électrons.
Pouvoir utiliser l'énergie solaire dans des processus industriels imitant la photosynthèse naturelle constitue donc un enjeu scientifique et économique tout à fait majeur pour plusieurs raisons. La première est que cette voie technologique est neutre pour l'environnement et n'émet pas de gaz à effet de serre. Autre avantage, ce procédé offre un rendement incomparablement meilleur dans l'exploitation et la transformation de l'énergie solaire, par rapport à l'électricité photovoltaïque actuelle.
En Martinique, pour pouvoir remédier à notre situation actuelle sans dégrader plus notre environnement, il convient dans un premier temps d’informer très largement la population, de façon à ce que le plus grand nombre prenne conscience de sa propre vulnérabilité, de travailler sous l’angle de la pluridisciplinarité (croiser les regards, les expériences), et enfin, suite à la COP 21 (en anglais Conference of Parties), l’idée est de rendre chaque martiniquais responsable, c’est-à-dire qu’il adopte désormais les bonnes attitudes pour se protéger et préserver son environnement. Il s'agit d'adopter des petits gestes simples (comme faire le tri selectif, recycler, le covoiturage…) qui changeront tout si tout le monde s’y met. Pour un avenir meilleur il faut donc impérativement changer nos mauvaises habitudes, et sensibiliser le plus grand nombre. L’utilisation de cette feuille artificielle pourrait être une bonne alternative vu le soleil présent sur cette île. Il faudrait donc développer les énergies propres pour préserver notre avenir et celui de notre planète.