Le Biomimétisme (épisode 1)

Qu’est ce que le biomimétisme ?

Le biomimétisme est un courant scientifique qui analyse et qui reproduit les meilleurs mécanisme de la nature.

Dans l’histoire, de nombreux exemples de « bio-inspiration » sont observables. Je pense notamment à la période de la Renaissance avec le très célèbre Léonard de Vinci, cherchant à imiter la nature afin de permettre aux humains de voler ou planer.

Les oiseaux lui inspirent diverses machines, des plus ingénieuses.
Malgré tout, il ne passa jamais à la réalisation, mais ouvra la voie au biomimétisme actuel.

Depuis la nuit des temps, l’homme a toujours imité la nature.

Le terme exact de biomimétisme apparaît dans les années 80 et est devenu populaire dans les années 2000 grâce à l’excellent ouvrage de Janine Benyus intitulé « Biomimicry : Innovation Inspired by Nature ».

Dans ce livre, cette biologiste nous explique que « la nature a 4 milliards d’années de recherche & développement d’avance sur nous ».
Décrypter une énigme de plusieurs milliards d’années demande un sérieux travail de recherche et d’analyse au niveau macroscopique mais aussi à l’échelle du nano.
Elle nous propose ainsi une découverte et un décryptage des secrets de la nature dont l’homme peut s’inspirer pour la fabrication d’objets s’inscrivant dans une démarche de durabilité.

Cette démarche consiste alors à observer la nature et le vivant afin de résoudre un certain nombre de problèmes que nous rencontrons aujourd’hui.

Dorénavant, une nouvelle ère d’innovations se profile, avec des projets plus époustouflants et plus riches les uns que les autres.

Voici quelques exemples de biomimétisme qui ont déjà vu le jour :

1-) Les « Winglets » des ailes d’avions :

Depuis le début de l’aviation et surtout depuis l’invention des premiers avions de ligne, un phénomène a longtemps préoccupés les ingénieurs : les « tourbillons marginaux », observables lorsque les avions traversent les nuages.

Ces tourbillons formés dans le sillage des extrémités des ailes causent une augmentation considérable de la traînée et provoquent des turbulences mais aussi une consommation accrue de carburant.

Mais d'où viennent ces tourbillons ?

Imaginez un avion de face, on sait que l'aile engendre une différence de pression entre l'intrados et l'extrados, c’est-à-dire que l’air parcourt une distance plus longue au-dessus par rapport au-dessous de l'aile, ce qui créé la portance.

Le problème se pose aux extrémités des ailes car l'air situé en dessous, avec une pression accrue, est attiré vers le haut où a lieu une dépression.
L’air a tendance à remonter du dessous vers le dessus de l'aile, mais puisque l'avion avance, il n’y arrive jamais.
Dans son sillage, l’air à l’arrière des ailes, forme des tourbillons.

Mais alors comment résoudre ce problème ?

C’est un ingénieur de la NASA (Richard Whitcomb) qui va trouver une solution simple issue du biomimétisme

En observant les vols d’oiseaux tel que l’aigle, la buse ou même encore la cigogne, il découvre que la nature a déjà réglé ce problème.

En effet, à l'extrémité des ailes de certaines espèces, on distingue des plumes qui se relèvent vers le haut (appelées « rémiges »).

Ces rémiges créent une sorte de barrière à l'air qui voudrait remonter sur l'intrados.
Ces plumes ont la particularité d'être très mobiles et de permettre à la cigogne de récupérer l’énergie des tourbillons pour l’utiliser afin de créer une poussée supplémentaire.

Richard Whitcomb décida donc de copier cette « technologie de la nature » en adaptant des ailettes verticales au bout des ailes des avions.
Ces ailettes, appelée « winglet » n'ont pas la même capacité de traduire ces forces en poussée comme pour les oiseaux, mais permettent de réduire de façon remarquable ces tourbillons marginaux et donc la traînée qu'ils engendrent.

Mais ce n’est pas tout, les winglets augmentent également la portance des ailes et permettent une réduction de l’envergure de l’avion de plus de 3 mètres ainsi qu’une baisse de consommation de kérosène d’environ 600 tonnes par avion.

2-) Les éoliennes et les hydroliennes

L’aérodynamique et l’hydrodynamique sont deux domaines très proches.
L’air et l’eau présentent les même caractéristiques en terme de dynamique relative à la résistance au mouvement d’un objet.

Un chercheur nommé Franck Fish (dédicace à @kelos pour son tag ;-) ),biologiste américain, a découvert l’utilité des protubérances qui recouvrent les nageoires des baleines à bosses.

Il découvre qu’elles ont une habitude bien spécifique à leur espèce : attraper des poissons dans une sorte de « filet de bulles », qu’elles créent en plongeant et en remontant vers la surface en ellipse serrée.
Pour effectuer cette manœuvre, elles se doivent d’être d’une agilité extrême compte tenu de leur taille imposante et de leur poids.

Franck Fish émet une théorie qui explique que ces protubérances sur leurs nageoires, appelées « tubercules », donnent un sérieux avantage hydrodynamique à la baleine.
En effet, ses deux collègues (Marc Murray et Loren Howle) ont testé une réplique de nageoire en soufflerie et ont étonnamment constaté que les bosses situées sur la tranche de la nageoire entrainent une augmentation de 6% de la portance et surtout une réduction de plus de 30% de la traînée comparé à une nageoire lisse.

Cette découverte met à mal l'idée de base qui veut qu'une surface ou qu'un bord d'attaque soit le plus lisse possible afin de limiter la résistance et la perte d'énergie.

WhalePower (une entreprise canadienne) développe cette technologie.
Ses ingénieurs ont reproduit ces tubercules, pour permettre une application prometteuse aux éoliennes, aux hydroliennes mais aussi aux pales de ventilateurs, et même aux hélicoptères.

Un prototype installé sur une éolienne confirme ces performances. Ils ont pu constater que ce type de pale permettait d’augmenter la production de plus de 20% par rapport à une pale traditionnelle.

Des résultats d’autant plus intéressants que l’éolienne équipée de pales dentées s’avère moins bruyante. Elle peut se mettre en route avec des vents plus faibles et continuer à tourner par vent fort sans risque de casse.

3-) Le train « Shinkansen »

Le Shinkansen est le TGV du Japon.

A l’époque, il était le train le plus rapide du monde avec une vitesse maximale dépassant les 400 km/h.
Dès ses débuts, le Shinkansen rencontra de nombreux problèmes, notamment au niveau du bruit, nettement supérieur aux normes acoustiques autorisées.

Le Japon étant un pays très montagneux, le Shinkansen doit souvent passer par des tunnels.

Lorsqu’un train circule à très grande vitesse, il se créé simultanément un déplacement ainsi qu’une compression d’air.
Habituellement, cet air se diffuse dans toutes les directions.
Mais, lorsque le Shinkansen entre dans un tunnel, l’air n’arrive pas à s’échapper et est donc comprimé à l’avant, provoquant ainsi un bruit d’explosion qui dérange les riverains vivant à proximité.

Eiji Nakatsu, l’ingénieur responsable des essais du Shinkansen, s’est intéressé à la capacité du martin-pêcheur à plonger dans l’eau en provoquant le minimum de remous afin de surprendre ses proies.

Eiji Nakatsu a l’idée d’imiter la forme du bec du martin-pêcheur et de l’adapter à l’avant des trains Shinkansen, afin de réduire ce fameux « bang » sonore.

Les résultats observés montrent une réduction remarquable du bruit à la sortie des tunnels et une amélioration de l’aérodynamisme.

En effet, cette forme très particulière permet non seulement à l’air de s’écouler autour de l’avant du train sans difficulté, mais aussi d’augmenter sa vitesse de 10% et de réduire sa consommation d’énergie d’environ 25%.

Vous connaissez cette gêne au niveau des oreilles, lorsqu’un train sort d’un tunnel ?
Ce ressenti désagréable est du au changement de pression. Et bien, les japonais ont remarqué une nette amélioration de ce désagrément grâce au martin-pêcheur !

L’épisode suivant mettra en évidence l’intérêt du biomimétisme à l’échelle du nanomètre, car là encore, la nature n’a pas fini de nous surprendre.

A bientôt ;-)

Sources images :

Pixabay

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:737-NG_winglet_effect_(simplified).svg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Profil_d%27aile.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Musée_Léonard_de_Vinci_Milan_004.jpg

https://www.lavionnaire.fr/AerodynTrainee.php

https://inhabitat.com/these-ancient-societies-grow-infinite-wealth-on-a-finite-planet/

http://www.simmer.fr/archives/208

Sources :

https://www.museum.toulouse.fr/-/le-biomimetisme-un-concept-une-philosophie-pleine-d-avenir

http://www.cleantechrepublic.com/2009/03/06/des-pales-en-forme-de-nageoire-de-baleine-pour-doper-la-performance-dune-eolienne/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Biomimétisme

http://tpebiomimetique.e-monsite.com/pages/biomimetique/quelques-exemples/les-baleines-et-les-eoliennes.html

Pour en savoir plus :

https://www.lavionnaire.fr/PhenomSillage.php