Hydrogénase : le concept d’aéronef vertical habité

Entre ingénierie et biologie, Hydrogénase est un projet pionnier de bio-mimétisme qui s’inspire de la beauté et des formes de la nature, mais aussi et surtout des qualités de ses matériaux et de ses processus d’auto-fabrication.

La nouvelle révolution verte est bien en marche et nous permet de concevoir la mobilité aérienne de l’après pic pétrolier, 100% autosuffisante en énergie et à émission de carbone zéro ! Cet aéronef vertical habité inaugure une mobilité propre et éthique pour subvenir aux populations en détresse touchées par les catastrophes naturelles et sanitaires, et tout cela sans piste d’atterrissage ! Son architecture est subversive et fondamentalement critique sur les modes de vie de notre société contemporaine qu’il faut réinventer sur le fond ! Prenons notre envol grâce aux biocarburants et propulsons-nous vers le transport éco-responsable du futur !

2015: Biocarburants de 3ème génération, le défi d’une Mobilité Durable ! :

Le prix du pétrole vient de battre un nouveau record historique en franchissant les 75 dollars le baril en 2010. D’ici 10 ans, nous pourrions atteindre le fameux "Hubbert Peak", ce moment précis à partir duquel la production de pétrole mondiale va commencer à baisser, faute de réserves. Dans un tel contexte, le recours massif aux énergies renouvelables et aux nanotechnologies, non émettrices de gaz à effet de serre, est en train de devenir une priorité économique, technologique et politique absolue ! De l’université du Queensland à celle de Karlsruhe, en passant par Berkeley en Californie, les biocarburants « troisième génération » sont en gestation et vont révolutionner notre mobilité durable de demain qu’elle soit terrestre ou aérienne. Leurs principaux atouts : ils ne font concurrence ni aux cultures alimentaires ni aux espaces forestiers et peuvent être développés naturellement partout dans le monde même en territoires arides, le tout tendant vers une bio-remédiation ciblée du C02 industriel !

Capable de produire de l’électricité ou du biocarburant sans émettre de CO2 ou d’autres substances polluantes, l’hydrogène notamment se présente aujourd’hui comme une source d’énergie propre très prometteuse. C’est pourquoi sa production respectueuse de l’environnement et en quantité suffisante est un thème de recherche qui occupe les plus grands groupes scientifiques mondiaux. En effet, on a découvert à la fin des années 90 que les micro-algues privées de soufre passent de la production d’oxygène (photosynthèse classique) à la production d’hydrogène. Tout comme un arbre qui se développe utilise le rayonnement solaire pour fabriquer de la matière organique, on vise aujourd’hui à produire par photosynthèse du dihydrogène (c.à.d. de l’hydrogène gazeux) à partir de micro-organismes vivants comme les algues de la famille « Chlamydomonas reinhardtii » qui possèdent des enzymes du type hydrogénase.

D’après les biologistes, le rendement obtenu par une ferme de micro-algues serait supérieur à ceux réalisés actuellement avec des moyens agricoles pour produire du biodiesel ou du bioéthanol. Celui-ci pourrait être estimé à 1000 litres d’hydrogène pour 330 grammes de chlorophylle par jour tandis que, à titre d’exemple, le colza ne produit grosso modo que 1000 litres d’huile par hectare. Selon les industriels, un hectare d’algues pourrait donc produire biologiquement 120 fois plus de biocarburants qu’un hectare de colza, de soja ou de tournesol.

De plus, une ferme d’algues est une véritable centrale biochimique miniature capable d’absorber le CO2 comme principal nutriment par photosynthèse accélérée en produisant de l’hydrogène in vitro ou en bioréacteurs. Ce processus naturel, se nourrissant de nos déchets, permet ainsi de recycler sous l’effet du soleil, dans des bains d’algues et d’eau de mer, jusqu’à 80% du gaz carbonique et des NOx (oxydes d’azote par ailleurs très impactants sur l’effet de serre). Ce cycle biologique global permet donc de revaloriser nos rejets carbonés comme par exemple ceux provenant des filtres à particules de nos automobiles, des réacteurs de nos avions ou encore des fumées issues des centrales thermiques à charbon ou à gaz .

2020: Vers une révolution aérienne et une génération verte d’aéronefs ? :

Les constructeurs d’avions s’engagent à minima pour l’horizon 2020, en vertu d’un accord international, d’être moins polluants (réduction de 80% de leurs rejets en oxydes d’azote ), d’être plus économes en carburant (réduction de 20% de la quantité de carburant par passager transporté) et enfin d’être plus silencieux ( réduction de 10 décibels, soit deux fois moins de bruit ). Mais que se passera-t-il lorsqu’il n’y aura plus de pétrole ? La fin du transport aérien en 2030 ? Suivant les estimations, chaque année, dès 2010, 200 millions de chinois prendront l’avion pour passer des vacances à l’étranger. Après les derniers nés que sont l’A380 d’Airbus et le 777-200LR de Boeing, l’avion du futur ne devra plus comme ses prédécesseurs énergivores se concevoir sans tenir compte des notions de développement durable et de respect de l’environnement. Un thème totalement ignoré il y a quinze ans dans ce secteur ! Le défi est de réinventer un nouveau transport aérien économiquement viable et écologiquement soutenable ! Ce transport doit être éco-conçu à partir des énergies renouvelables et présenter un bilan d’émission de carbone égal à zéro !

Ni avions, ni hélicoptères, ni dirigeables, le projet « Hydrogénase » marque une nouvelle génération d’aéronefs hybrides à la pointe des innovations aéronautiques à biotechnologies dites embarquées. Il est destiné principalement aux missions humanitaires, aux opérations de sauvetage, à l’installation de plateformes de recherche scientifiques, et bien sûr au transport du fret. Ensuite, ces activités pourront s’étendre aux loisirs, à l’éco-tourisme, aux transports humains hôteliers, à la couverture aérienne médiatique et à la surveillance des mégapoles et des eaux territoriales.

Certes, ce mode de transport est moins intéressant que le ferroutage ou le transport maritime, et plus lent que l’avion mais en revanche il nécessite beaucoup moins d’infrastructure et de plateformes multimodales (piste d’atterrissage, autoroutes, alternance bateau/ camion…). Il est donc beaucoup moins consommateur de territoire et permettra progressivement de cicatriser nos paysages balafrés par les réseaux de transports engendrant une déforestation massive. Par conséquent il est il est dix fois moins cher pour le déplacement de lourdes charges et le transport de voyageurs et le tout sans abîmer la planète ! Pour les spécialistes du transport logistique, confrontés à l’absence durable d’infrastructures routières ou aéroportuaires adaptées dans de nombreuses parties du monde (désert et océans), cette nouvelle génération est également très attendue pour relier les sites de production et les sites d’utilisation. De plus des dispensaires, voire des hôpitaux de campagne volants pourraient ainsi intervenir lors de catastrophes naturelles, là où des vies humaines seraient en danger. Ils pourraient aussi sillonner et venir en aide aux territoires déshérités du tiers-monde en transportant les matières premières de notre alimentation globalisée vers ceux qui ont faim dans des endroits reculés !

Hydrogénase est donc un vaisseau gros-porteurs (DGP) qui navigue en moyenne à 2 000 mètres d’altitude. Ce cargo mesure près de 400 mètres de hauteur pour 250 000 m3. Il peut transporter jusque 200 tonnes de fret à 175 km/h (soit deux fois celle d’un bateau et plus d’une fois et demi celle d’un camion). Sept fois plus lent que l’avion, il dispose d’un rayon d’action de 5 à 10 000 km et il réapprend à nos voyageurs contemporains le temps long des croisières maritimes et l’éloge de la lenteur. L’histoire des transports qui se résumait jusqu’ici à une recherche, celle d’aller toujours plus vite, est bientôt révolue au profit d’un « voyager mieux » en paquebot volant !

2030: Hydrogénase, l’aéronef écologique du futur 100% autosuffisant.

Le projet Hydrogénase remet donc en question le "toujours plus vite" de notre société frénétique et réfléchit autrement à la mobilité et aux services. Aux allures bioniques, cet aéronef vertical habité vient se poser au creux d’une ferme flottante d’algues marines qui le recharge directement en bio-hydrogène. Ces deux entités interdépendantes sont toutes deux nomades et écologiques, la première navigue dans le ciel et la seconde sur les mers et les océans.

Le paquebot proactif florissant dans les airs :

L’aéronef semi-rigide non-pressurisé s’étire à la verticale au tour d’une colonne vertébrale arborescente qui vient se torsader aéro-dynamiquement sur plus de 400 mètres de hauteur et de 180 mètres de diamètre. Formant une grande fleur prête à éclore, les espaces se répartissent en croix sous la forme de 4 pétales qui accueillent respectivement les 4 secteurs principaux d’activités : les logements, les bureaux, les laboratoires scientifiques, et les loisirs. La tige autour de laquelle se structurent ces 4 pétales fonctionnels accueille les circulations verticales, les locaux techniques et les hangars de marchandises pour le fret.

Ces 4 espaces habités sont englobés par 4 bulles géantes gonflées de bio-hydrogène, une énergie renouvelable. Ces bulles sont constituées d’une carène rigide en alliage léger, formée de poutres longitudinales torsadées reliées entre elles par de larges anneaux sinusoïdaux. Chaque extrémité est terminée par un cône, et celui du bas, le plus effilé, porte les empennages et les gouvernails de profondeur et de direction. Cette charpente est recouverte d’une double peau de toile étanche, ignifugée et vernissée pour diminuer la résistance à l’avancement. L’entre deux est divisé en tranches dans chacune desquelles se trouve des ballonnets remplis d’hélium. Ce matelas d’hélium en périphérie permet de protéger les ballons de bio-hydrogène de tout contact avec l’oxygène de l’air. Cette technologie hybride assure 70 % de la sustentation par le bio-hydrogène et l’hélium, les 30 % restants étant fournis par l’aérodynamique du fuselage torsadé de l’aéronef avec la vitesse, comme pour un avion.

Ce type d’aéronef est évidemment plus lourd qu’un aérostat souple de même cubage, en raison du poids de la structure, mais il peut atteindre des vitesses plus élevées, grâce à la solidité de sa carène en titane, et transporter un tonnage plus fort, grâce à la possibilité de construire des enveloppes de toujours plus grande capacité (10 000 m3 en 1900, 70 000 m3 en 1924 et 200 000 m3 en 1938, 250 000 m3 en 2010). Ce qui distingue aussi un tel engin des classiques dirigeables d’antan est que celui-ci est plus lourd que l’air et vole grâce à la poussée d’Archimède (ce que fait tout ballon ou dirigeable), à des hélices et à sa subtile aérodynamique torsadée qui permet de réduire les oscillations de la couche limite. Le fait qu’il soit plus lourd que l’air permet en effet des descentes plus rapides sans avoir surtout à expulser du gaz. De plus la sustentation s’appuie sur la compression et la décompression du biogaz. Hydrogénase peut donc s’alléger ou s’alourdir selon les besoins et l’altitude souhaitée.

Dans le but de construire un aéronef proactif à énergie positive, nous y avons également intégré toutes les énergies renouvelables. En effet tandis que les bulles gonflables sont contrecollées de cellules photovoltaïques souples, les quatre ailes du paquebot sont incrustées chacune de turbopropulseurs à récupération d’énergie. Ces 20 propulseurs sont articulés autour d’anneaux orbitaux leur permettant de passer de la position horizontale au décollage à la position verticale assurant au vaisseau une vitesse de navigation de 175 km/h. Les espaces habités quand à eux intègrent par palier des jardins potagers phyto-épurant les eaux usées, des biomasses dégradant les déchets organiques, et des piles à combustibles embarquées. Rien ne se perd, tout se recycle et se transforme !

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En plus d’absorber l’énergie solaire, ce château ambulant s’inspire des technologies biomimétiques et est construit en matériaux composites (fibres de verre et de carbone), plus légers et plus résistants dans le but de réduire au maximum le poids de sa structure globale. L’habillage est ainsi autonettoyant et il présente un verre nanostructuré inspiré de la feuille de lotus qui ne se mouille pas. Le vaisseau est ainsi constitué de «peaux intelligentes» empêchant par exemple l’accumulation de glace ou de neige et de «céramiques autoréparables» offrant une plus grande résistance à la déchirure et qui comblent automatiquement leurs fissures. Ce revêtement bionique est également inspiré de la peau du requin qui permet sans être toxique d’empêcher l’adhésion des bactéries tandis que les quatre ailes présentent des irrégularités de surface tout comme le font les nageoires de baleine finement perlées afin de réduire les turbulences. L’industrie verte répond donc par ce prototype bionique aux aspirations écologiques de consommation, à une réglementation antipollution toujours plus exigeante et à la raréfaction des ressources.

La ferme biologique flottante sur les mers et les océans :

La ferme flottante est une véritable station d’épuration biologique composée de 4 puits de carbone dans lesquelles les algues vertes recyclent nos déchets rapatriés par bateaux en carburant hydrogéné. Celui-ci est directement destiné à alimenter biologiquement l’aéronef. Elle remplace donc aussi bien la station essence que la piste d’atterrissage des avions traditionnels et prend la forme d’un tissage de fines dentelles amphibiennes !

En effet, elle s’implante aussi bien en dessous qu’au dessus de la surface de l’eau et respecte la répartition quadripartite en pétales de l’ensemble du projet Hydrogénase. Dans la prolongation des 4 ailes de la tour pneumatique, 4 grandes arches viennent structurer cette plateforme circulaire et distribuent verticalement tous les niveaux de son anneau central habité par les scientifiques. A la surface, ces arches sont recouvertes de boucliers solaires thermiques et photovoltaïques tandis que sous l’eau elles sont serties de 32 hydroliennes transformant l’énergie marémotrice des courants marins en électricité.

Energétiquement autosuffisante, cette ferme organise, sur un plan rayonnant, les bioréacteurs de micro-algues exposés au soleil zénithal sous des accélérateurs lenticulaires pour un meilleur rendement photochimique. Le tout constitue quatre jardins dédiés à la photosynthèse accélérée auxquels on accède par des marinas établissant les échanges entre cette véritable nouvelle ville flottante et les littoraux avoisinants. En plus de produire de l’énergie propre, cette station d’épuration flottante est également un formidable observatoire de la faune et de la flore marines qui milite pour la protection des écosystèmes et pour la revitalisation des bancs de coraux et des espèces en voie de disparition. Elle constitue un véritable nettoyeur des mers et des océans en écumant et en dégradant comme nutriment principal les bancs de déchets flottants de notre civilisation énergivore.

Hydrogénase est donc un projet de résilience environnementale qui permettra d’inventer une mobilité propre suivant un cycle « cradle to cradle » respectant notre planète tout en assurant l’évolution technologique de l’aventure humaine ! Prototype biotechnologique, il vise donc la symbiose des actions des hommes et de leurs impacts positifs sur la nature. En imitant les processus des écosystèmes naturels, il s’agit donc de réinventer les processus industriels, urbanistiques et architecturaux afin de produire des solutions propres et de créer une industrie où tout est réutilisé, soit retourné au sol sous forme de ‘nutriments biologiques’ non toxiques, soit retourné à l’industrie sous forme de ‘nutriments techniques’ pouvant être indéfiniment recyclés".

Vincent Callebaut Architecte