Usama Kadri, Cardiff University
Les vagues de l’océan sont depuis longtemps considérées comme une source d’énergie renouvelable à fort potentiel. On estime que les vagues produisent entre 50 000 et 80 000 milliards de watts d’énergie dans le monde, soit près de deux à trois fois la consommation énergétique annuelle mondiale actuelle.
De nombreux dispositifs ont été conçus pour capter et convertir la grande puissance des vagues en électricité, mais les technologies actuelles se heurtent à des problèmes d’efficacité, en particulier dans les eaux plus profondes. Par conséquent, l’énergie houlomotrice n’a pas encore pris son essor en tant que source d’énergie renouvelable au même titre que l’énergie éolienne ou solaire.
Une façon de contourner ce problème réside dans l’interaction entre deux types de vagues : celles qui se trouvent à la surface de l’océan et celles qui résident sous l’eau. Mon groupe de recherche vient de publier un article démontrant comment les ondes sonores sous-marines peuvent être utilisées pour rendre les ondes de surface plus puissantes, ce qui pourrait en faire une source d’énergie plus viable.
Les mêmes connaissances pourraient également être utilisées pour réduire les risques de tsunamis en les rendant plus petits. En outre, dans un second article, nous montrons comment les ondes sous-marines peuvent être utilisées pour améliorer le système actuel d’alerte précoce aux tsunamis.
Les vagues à la surface de l’océan sont souvent créées par la combinaison du vent qui soulève l’eau et de la gravité qui la ramène vers le bas – c’est pourquoi on les appelle parfois des vagues de gravité de surface. En revanche, les ondes sous-marines sont des ondes sonores produites par des phénomènes tels que les tremblements de terre ou les éruptions volcaniques, parfois à des milliers de mètres de profondeur.
Ces ondes acoustiques se déplacent en comprimant et en dilatant l’eau, de la même manière que le son se déplace dans l’air. Elles traversent des distances transocéaniques à la vitesse du son dans l’eau (environ 1 500 mètres par seconde) avant de se dissiper. Les ondes de surface se déplacent à des vitesses beaucoup plus faibles, de l’ordre de quelques dizaines de mètres par seconde.
Dans la théorie classique des vagues d’eau, ces deux types de vagues sont considérés comme des entités distinctes, chacune vivant dans son propre monde à son propre rythme. La possibilité qu’elles interagissent n’est apparue qu’à la suite d’un article de recherche que j’ai cosigné en 2013 et qui nous a incités, mes collègues et moi, à étudier un phénomène connu sous le nom de « résonance triadique ».
Il s’agit de deux ondes acoustiques qui transfèrent de l’énergie à une onde de surface en faisant correspondre leur fréquence, ce qui a pour effet d’augmenter la taille et la puissance de l’onde de surface (en augmentant son amplitude). Il est donc possible d’utiliser un générateur d’ondes acoustiques pour produire des ondes sonores accordées à une taille et à une fréquence particulières qui renforceraient (ou supprimeraient également) les ondes de surface.
L’amélioration des vagues permettrait aux turbines houlomotrices et aux colonnes d’eau oscillantes actuelles (qui utilisent l’énergie des vagues pour faire passer de l’air dans une turbine) de produire davantage d’électricité, ce qui résoudrait leur problème d’efficacité.
La principale exigence serait un générateur d’ondes acoustiques pouvant être finement réglé à l’échelle requise. Il existe déjà des générateurs d’ondes acoustiques pour les laboratoires, il s’agit donc de mettre à l’échelle une technologie existante.
Les résultats de nos recherches montrent que la résonance des triades peut augmenter la hauteur des vagues de surface de plus de 30 %. Bien entendu, le générateur nécessite de l’énergie, mais on espère qu’il pourra lui aussi être alimenté par les vagues afin de minimiser les émissions de carbone. Un défi supplémentaire consiste à s’assurer que des méthodes sont développées pour utiliser efficacement l’énergie acoustique afin de garantir que le moins d’énergie possible soit gaspillée.
La prochaine étape consistera à réaliser d’autres simulations numériques et à mener une série d’expériences de laboratoire à petite échelle pour étudier le fonctionnement pratique de la résonance triadique. Ces expériences permettront d’affiner nos théories et d’évaluer leur faisabilité, avec l’espoir d’en faire une réalité commerciale.
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Atténuation des tsunamis
En 2017, j’ai suggéré la possibilité de réduire la hauteur des vagues de tsunami en manipulant les ondes acoustiques sous-marines. Dans le nouvel article, nous examinons cette question plus en détail.
Nous avons constaté que le mécanisme de résonance a certainement eu lieu à l’échelle océanique lors du tremblement de terre et du tsunami de 2022 à Tonga. Cela montre qu’il est théoriquement possible de manipuler la taille d’un tsunami à l’aide de notre technique.
Le défi consiste à générer et à diriger les ondes acoustiques à l’échelle et dans la configuration requises dans des conditions réelles. Ce serait plus difficile que d’utiliser les ondes acoustiques pour exploiter l’énergie des vagues, notamment en raison de l’ampleur des tsunamis, qui nécessiteraient un générateur d’ondes acoustiques beaucoup plus puissant.
D’autres problèmes à surmonter seraient de connaître les propriétés exactes du tsunami en temps réel, et le risque que l’utilisation de mauvaises configurations puisse en fait faire grossir la vague au lieu de la réduire.
Bien qu’il faille un certain temps pour que cela soit réalisable, les ondes acoustiques peuvent également contribuer à atténuer les tsunamis d’une autre manière. Notre deuxième article démontre que la surveillance et l’analyse de ces ondes en temps réel pourraient compléter les technologies existantes et émergentes de prévision des tsunamis, notamment les bouées océaniques et les sismomètres.
Des milliers de sismomètres sont actuellement déployés dans le monde, mais ils ne surveillent que les tremblements de terre, alors que les tsunamis peuvent également être provoqués par des glissements de terrain, des explosions et des éruptions volcaniques. Même dans le cas des tremblements de terre, des relevés sismiques importants n’entraînent pas toujours des tsunamis de grande ampleur. Cela peut conduire à de fausses alertes, comme en Alaska en 2018.
Par ailleurs, les bouées océaniques, qui mesurent le niveau de la mer et la pression de l’eau, sont souvent défectueuses en raison de leurs conditions d’exploitation, et relativement lentes à donner l’alerte alors que les tsunamis (d’après mes calculs) peuvent se déplacer à des vitesses allant jusqu’à 200 m par seconde dans les profondeurs de l’océan.
Un système complémentaire consiste à mesurer les ondes acoustiques à l’aide d’un microphone sous-marin appelé hydrophone. Ces derniers captent les ondes acoustiques créées par tous les phénomènes à l’origine des tsunamis. La vitesse de déplacement de ces ondes permet à 30 stations d’hydrophones de couvrir l’ensemble des zones à haut risque de tsunami dans le monde.
Cela pourrait s’avérer particulièrement utile pour les communautés côtières situées à proximité de la source d’un tsunami. Elle soutiendrait également les objectifs mondiaux visant à rendre les villes côtières plus résistantes, comme l’objectif de l’Unesco de rendre tous ces lieux « prêts pour les tsunamis » d’ici à 2030.
Usama Kadri, Lecteur de mathématiques appliquées, Cardiff University
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.
