Parmi les environ 2000 espèces de termites connues, certaines sont des ingénieures d’écosystème. Les monticules construits par certains genres, comme Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes, et Odontotermes, atteignent jusqu’à huit mètres de haut, faisant d’eux certaines des plus grandes structures biologiques du monde.
La sélection naturelle a perfectionné le ‘design’ de leurs monticules au fil de dizaines de millions d’années. Que pourraient apprendre les architectes et les ingénieurs humains en s’intéressant aux termites ?
Dans une nouvelle étude publiée dans Frontiers in Materials, des chercheurs ont démontré comment les monticules de termites peuvent nous apprendre à créer des climats intérieurs confortables pour nos bâtiments sans l’empreinte carbone de la climatisation.
« Ici, nous montrons que le ‘complexe d’évacuation’, un réseau complexe de tunnels interconnectés trouvés dans les monticules de termites, peut être utilisé pour promouvoir des flux d’air, de chaleur et d’humidité de manière novatrice dans l’architecture humaine, » a déclaré le Dr David Andréen, maître de conférences à l’Université de Lund, et premier auteur de l’étude.
Andréen et le co-auteur Dr Rupert Soar ont étudié les monticules de termites Macrotermes michaelseni de Namibie. Les colonies de cette espèce peuvent comprendre plus d’un million d’individus. Au cœur des monticules se trouvent les jardins de champignons symbiotiques, cultivés par les termites pour leur nourriture.
Les chercheurs se sont concentrés sur le complexe d’évacuation : un réseau dense de tunnels, entre 3mm et 5mm de large, qui connecte des conduits plus larges à l’intérieur avec l’extérieur. Durant la saison des pluies (de novembre à avril), lorsque le monticule grandit, cela s’étend sur sa surface nord, exposée directement au soleil de midi. Hors de cette saison, les ouvriers termites gardent les tunnels d’évacuation bloqués. On pense que le complexe permet l’évaporation de l’excès d’humidité, tout en maintenant une ventilation adéquate.
Mais comment cela fonctionne-t-il ?
Andréen et Soar ont exploré comment l’agencement du complexe d’évacuation permet des flux oscillants ou pulsés. Ils ont basé leurs expériences sur une copie scannée et imprimée en 3D d’un fragment de complexe d’évacuation collecté en février 2005 à l’état sauvage. Ce fragment mesurait 4 cm d’épaisseur avec un volume de 1,4 litre, dont 16% étaient des tunnels.
Ils ont simulé le vent avec un haut-parleur qui conduisait des oscillations d’un mélange de CO2 et d’air à travers le fragment, tout en suivant le transfert de masse avec un capteur. Ils ont constaté que le flux d’air était le plus important à des fréquences d’oscillation entre 30Hz et 40 Hz ; modéré à des fréquences entre 10Hz et 20 Hz ; et le moins important à des fréquences entre 50Hz et 120 Hz.
Les chercheurs ont conclu que les tunnels dans le complexe interagissent avec le vent soufflant sur le monticule de manière à améliorer le transfert de masse d’air pour la ventilation. Les oscillations de vent à certaines fréquences génèrent de la turbulence à l’intérieur, dont l’effet est d’évacuer les gaz respiratoires et l’excès d’humidité du cœur du monticule.
« Pour ventiler un bâtiment, vous voulez préserver le délicat équilibre de température et d’humidité créé à l’intérieur, sans entraver le mouvement de l’air vicié vers l’extérieur et de l’air frais vers l’intérieur. La plupart des systèmes HVAC ont du mal avec cela. Ici, nous avons une interface structurée qui permet l’échange de gaz respiratoires, simplement entraînée par des différences de concentration entre un côté et l’autre. Les conditions à l’intérieur sont ainsi maintenues, » a expliqué Soar.
Les auteurs ont ensuite simulé le complexe d’évacuation avec une série de modèles 2D, qui augmentaient en complexité de tunnels droits à une grille. Ils ont utilisé un électromoteur pour entraîner un corps oscillant d’eau (rendu visible avec un colorant) à travers les tunnels, et ont filmé le flux de masse. Ils ont constaté, à leur surprise, que le moteur devait seulement déplacer l’air de quelques millimètres (correspondant à de faibles oscillations de vent) pour que le flot et le reflux pénètrent l’ensemble du complexe. La turbulence nécessaire n’apparaissait que si l’agencement était suffisamment en réseau.
Les auteurs concluent que le complexe d’évacuation peut permettre la ventilation des monticules de termites par le vent même faible.
« Nous imaginons que les murs de bâtiments à l’avenir, réalisés avec des technologies émergentes comme les imprimantes à lit de poudre, contiendront des réseaux similaires au complexe d’évacuation. Ceux-ci permettront de déplacer l’air, grâce à des capteurs et des actionneurs intégrés qui ne nécessitent que de très petites quantités d’énergie, » a déclaré Andréen.
Soar a conclu : « L’impression 3D à l’échelle de la construction ne sera possible que lorsque nous pourrons concevoir des structures aussi complexes que dans la nature. Le complexe d’évacuation est un exemple d’une structure compliquée qui pourrait résoudre plusieurs problèmes simultanément : maintenir le confort à l’intérieur de nos maisons, tout en régulant le flux de gaz respiratoires et d’humidité à travers l’enveloppe du bâtiment.«
« Nous sommes à la veille de la transition vers une construction à l’image de la nature : pour la première fois, il pourrait être possible de concevoir un véritable bâtiment vivant et respirant.«
Illustration image / Termite mound in Bangalore, India
