Habitat auto-suffisant sur un arbre

Le projet

Descriptif du projet

Le principe du projet : produire un écosystème auto-suffisant à l'échelle d'un arbre, pouvant s'étendre à une forêt.

Guide d'utilisation : Imaginez vous au milieu de la forêt, avec pour seule outil d'habitation votre sac à dos. En défaisant ce sac, vous vous apercevez qu'il forme en fait une toile faite d'un matériau composite aussi imperméable qu'isolant. Il ne vous reste plus qu'à trouver un bel arbre vif pour y tendre celle-ci en prenant soin d'accrocher aux branches les anneaux extensibles qui se trouvent aux extrémités de cette toile. Une fois tendue, elle fait office de niche, qui vous permettra d'abord de vous isoler du froid. Dans votre sac à dos se trouve aussi un disque qu'il faudra suspendre à cet arbre de manière à ce qu'il soit centré par rapport au centre de votre niche. En cas d'intempéries, ce disque déploie des arceaux qui viennent s'accrocher directement au bord de la niche, créant ainsi un habitat parfaitement isolé. La structure supérieure permet également de pouvoir récupérer l'eau de pluie qui, en ruisselant sur les parois va passer dans les rainures du tissu de la structure inférieure avant d'être dirigée vers l'extérieur.

Dans quel but : permettre de créer une civilisation hybride et désengorger les villes, pour une meilleure utilisation des ressources naturelles. Ce pourrait être une solution d'avenir, qui dans un premier temps serait testée.

Partie technique du projet

Les études et réalisations techniques à faire sur le projet :

• Régulation de température

L'habitat/serre aura besoin d’une température ambiante d’environ 17 - 19°C. Ce qui requiert un système de régulation de température : avec des capteurs, un système de traitement et un régulateur (chauffage ou refroidissement).

• Approvisionnement en énergie

On effectuera des recherches sur l’exploitation des mouvements oscillatoires des feuilles/branches des arbres pour générer de l’énergie. On peut aussi utiliser des moteurs à air comprimé pour exploiter le mouvement du vent.

• Data visualisation : lumière
  • Exploitation des études menées sur la communication des arbres entre eux (chimiques, acidité, communication à travers la racine) et essayer de les appliquer (collecte des signaux et transformation en signaux lumineux)
  • Production de l’électricité à partir des arbres

• récupération d’eau, Stockage, et filtrage

Un habitat qui serait capable de transformer l’eau de pluie directement en eau potable, c'est une maison intelligente qui capte l’eau de pluie sur son toit, la purifie par un processus biologique et la rend immédiatement disponible, propre à la consommation.

• les étapes d'exploitation:
  • Récupération de l'eau
  • Filtrage
  • stockage

État de l'art

La récupération d'énergie à partir des mouvements des arbres

La récupération d'énergie (souvent connu sous le terme "Energy Harvesting") à partir des mouvements des arbres consiste à récupérer de l'énergie à partir des mouvements des branches et des feuilles. Pour ce faire, des générateurs piézoélectriques sont installés sur les branches. Lorsque l'air exerce une pression sur ces capteurs, ils produisent une tension.

Mécanisme

En effet, la piézoélectricité est cette propriété qu'ont certains matériaux comme le quartz ou le cristal de produire de l'électricité sous une contrainte mécanique. On s’intéressera surtout, pour notre étude, aux générateurs micro ou nano-piézoélétriques (céramique de polymère par exemple), bien plus adaptés à notre environnement de travail constitué par les feuilles et les branches des arbres. La vitesse de la brise douce à modérée est de 3,3 à 8,5 m/s. La force mécanique qui peut en résulter est de l'ordre de 6.9 à 19mW et cette force peut être convertie en énergie électrique d'environ 1.2 à 3.2mW. Pour produire cette énergie, il faut que l'arbre effectue un mouvement de va-et-vient sur environ 20cm.

Le système de conversion d’énergie

La conversion et la récupération de l'énergie peut se faire directement en faisant un transfert mécanique-électrique directe. Il n'y a donc pas de stockage intermédiaire d'énergie. Ci-dessous un tableau présentant le taux de conversion que l'on peut avoir selon le type de matériau utilisé

Matériau	Taux de conversion maximal
Polyfluorures de vinylidène (PVFD)	1-5%
Céramiques de PZT	35-50%
Monocristaux	70-90%

La conversion peut se faire aussi de manière indirecte en convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique en suivant plusieurs cycles de compression-décompression successifs. On pourrait aussi fixer l'élément piézoélectrique sur un système vibratoire.

Paramètres à considérer

D'après des simulations effectuées par des étudiants de l'université de Lahore, Pakistan et celle de Bangkok, Thaïlande (FUZZY LOGIC BASED ENERGY HARVESTING WITH THE MOVEMENT OF PLANTS BRANCHES AND LEAVES, Basit Ali1, Muhammad Waseem Ashraf, Shahzadi Tayyaba, Muhammad Zahid Qureshi1, Ghulam Sarwar, Muhammad Faisal Wasim1 and Nitin Afzulpurkar, GC University, Lahore, Pakistan; The University of Lahore, Pakistan; Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand.), les deux paramètres à considérer pour la génération de l'énergie électrique à partir des mouvements des branches causés par le vent sont la vitesse du vent et l'angle à laquelle le vent attaque le capteur.

La production de l'électricité à partir des arbres

Un arbre peut produire de l'électricité... de faible intensité, certes, mais suffisamment pour alimenter un appareil électrique de faible puissance (Exemple : des capteurs de température pour émettre un signal d'alerte en cas d'incendie)

Trois chercheurs ont publié dans la revue scientifique "PlosOne" les résultats d'expériences effectuées sur le Ficus benjamina, le figuier pleureur, une plante d'appartement bien connue. Une électrode est plantée dans la tige de manière à pénétrer dans le xylème, cet ensemble de fibres dont les canaux font monter vers les feuilles la sève brute aspirée depuis le sol. L'autre est enfichée dans le sol ou plongée dans diverses solutions. Les chercheurs observent entre les deux une différence de potentiel (ou tension électrique) de 50 à 200 millivolts. En poussant plus loin l'investigation, ces biologistes ont prouvé que cette tension n'était pas due à des réactions d'oxydoréduction, comme on le pensait. On les met facilement en évidence dans cette expérience classique des cours de sciences au collège, consistant à planter dans un fruit (orange, citron...) ou une pomme de terre deux objets composés de métaux différents. Faisant office d'électrodes, ils produisent une petite tension, grâce à laquelle on peut obtenir un courant de faible intensité. C'est l'acidité de la phase liquide à l'intérieur du végétal qui entretient le phénomène. Des électrons sont arrachés à l'une des électrodes (l'anode), ce qui correspond à une oxydation, tandis que ces particules s'accumulent vers l'autre électrode (la cathode), y entraînant une réaction que les chimistes appellent une réduction.

Ci-dessous le schéma général des expériences réalisées sur le Ficus benjamina. La plante est placée dans un pot et enfermée dans une cage de Faraday (pour éviter les champs électromagnétiques éventuels qui fausseraient les mesures d'aussi faibles tensions). Une électrode est plantée jusque dans le xylème, l'autre placée dans une boîte de Pétri emplie d'une solution à pH variable. Ce liquide est électriquement en contact avec le sol par un pont en gel d'agar-agar contenant du chlorure de potassium (KCl).

B: la tension mesurée ne dépend pas de la hauteur à laquelle est plantée l'électrode (bark, écorce; phloem, phloème; xylem, xylème) mais elle disparaît lorsqu'un lame de rasoir coupe le xylème au-dessus ou au-dessous de l'électrode.

C : le potentiel mesuré varie avec le potentiel zêta (électrostatique) entre le centre du vaisseau capillaire et ses parois, avec la variation de pression (delta-P) et avec la vitesse de la sève (Vsapstream).

La transformation des communications entre les arbres en signaux lumineux

Chez les plantes, les cellules sont en communications constante entre elles. Les cellules végétales communiquent pour coordonner leurs activités en réponse aux conditions changeantes de la lumière, l'obscurité et de la température qui guident le cycle de croissance, la floraison et la fructification de la plante. Les cellules végétales communiquent également pour coordonner ce qui se passe dans leur racines, tiges et feuilles.

Ici, on va s'intéresser à l'exploitation de cette communication végétale, en cherchant une méthode pour transformer cette dernière en signaux électriques qui serviront à éclairer l'habitat.

Récupération d’eau, filtrage, et stockage

Notre habitat est une maison qui serait capable de transformer l’eau de pluie directement en eau potable, en passant par plusieurs étapes, capter l’eau de pluie sur son toit, la purifie par un processus biologique et la rend immédiatement disponible, propre à la consommation. pour par exemple:

• Usage à l'intérieur de la maison : chasses d'eau, lavage des sols. En principe, le lave linge...
• Arrosage de l'arbre habitat , lavage de surface ...
• Piscine : possible avec un système de filtration pour un appoint mais pas pour un remplissage complet. ( a voir )

Le principe proposé par cette maison intelligente est simple : les jours de pluie, le toit de la maison recueille l’eau. Cette pluie est ensuite purifiée grâce à un processus biologique basé sur la distillation solaire. A noter que ce procédé nommé Bio-concrete bannit tout produit chimique. Il permet également de réguler le pH de l’eau, ceci dans un but : la rendre potable. Dans cette partie, nous avons bien détaillé le fonctionnement de chaque étape. Le schéma ci-dessous permet de visualiser de manière générale, la façon dont on envisage récupérer, stocker et utiliser l'eau de pluie :

Fichier:Schéma Récupération d'eau

1. L'eau de pluie tombe sur le toit de l'habitat.
2. Elle glisse vers les gouttières.
3. Elle tombe dans les descentes de gouttières, le long du mur de la maison (possibilité d'une première filtration anti feuilles appelée crapaudine).
4. Via un tuyau qui relie les gouttières à la cuve, l'eau est acheminée vers la cuve d'eau de pluie.
5. Avant de tomber dans la cuve, l'eau de pluie est filtrée (les impuretés sont évacuées).
6. Ensuite elle est stockée dans la cuve.
7. Distribution :

• Soit par robinets (cuve hors sol).
• Soit par pompage (cuve enterrée) : l'eau est distribuée dans la maison via un réseau indépendant du réseau d'eau de ville.

Récupération d’eau

Le récupérateur d’eau de pluie permet de stocker les eaux pluviales. La capacité d’un récupérateur peut aller de 200 à 10000 litres selon les modèles. La pluie qui tombe sur le toit de la maison est canalisée par les gouttières, qui sont directement reliées à la cuve grâce à un collecteur d’eau. l’utilisation de gouttière en PVC, en zinc ou en faïence. Les toits en ardoise ou en tuiles permettent de récupérer une eau plus pure que les revêtements en aluminium, en goudron, et en matériaux synthétiques. il faut aussi placer une grille de protection sur nos gouttières afin d’éviter l’introduction de feuilles ou d’insectes dans les descentes reliées au récupérateur. Enfin, on a pensé à nettoyer les gouttières deux fois par an.

• Quantité récupérée et besoin en eau de pluie

Selon la région, nous pouvons récupérer en moyenne 600 litres d’eau de pluie par m² de toiture chaque année. Même en été, nous pouvons récupérer jusqu’à 40 litres d’eau par m² de toiture. la méthode dont on a procédé pour calculer le volume d’eau que vous pouvons récupérer. C'est de multiplier la surface au sol de notre habitat par la pluviosité (en mètre).On a Retranché 10% du résultat obtenu, qui symboliseront les pertes dues à l’évaporation. On a estimé que notre habitat fait 2 m² et qu’il tombe environ 0.75m (moyenne nationale) dans la France chaque année, nous pourrons récupérer 1.35 m3 d’eau : 2 x 0.75 = 1.5 m3 - 10% =1.35 m3. nos besoins peuvent être définis grâce au tableau suivant :