Introduction¶

Ce document propose les premiers éléments d'une approche technique pour construire une serre :

• de culture potagère ;
• sous-marine ;
• habitable ;
• low-tech ;
• autosuffisant ;
• autoréplicable ;
• biodégradable ;
• potentiellement mobile ;
• non commercialisable.

Il n'a pas vocation à expliquer pourquoi on voudrait construire un tel habitat/serre/bulle, mais détaille en quoi les choix techniques proposés sont guidés par les qualificatifs énumérés ci-dessus.

J'aimerais dans un premier temps avoir le choix des personnes auprès de qui ce document est diffusé, je détaille pourquoi dans la section "Et l'éthique [...] \ Diffusion et communication", merci pour votre aide pour rester dans cette limite :)

Je vois pour l'instant deux gros points faibles à ce projet un peu délirant (voir sections "Comprendre l'océan [...] // La houle et sa prégnance à différentes profondeurs" pour un ordre de grandeur non encore calculé susceptible l'invalider tout entier, et "Des avancées technologiques [...] Fabriquer la membrane" pour ce qui me semble être son plus gros défi technique), je serais intéressé par savoir s'il y en a d'autres !

Un mode de vie sous-marin¶

Un habitat sous marin doit soit contenir de l'air, soit proposer une autre manière de s'oxygéner à ses habitant·es. Une approche low-tech évitant les complexités techniques lorsque cela est possible, je choisis de réfléchir à un prototype contenant de l'air.

Première question : pression variable ou fixe ?¶

S'offrent à nous deux grandes options, concernant la paroi (illustrées Figure 1) : doit-elle être fermée, comme un sous-marin, préservant une pression constante à l'intérieur (à gauche), ou ouverte, comme une cloche de plongée, laissant la pression varier au gré des descentes et des remontées (à droite) ?

Discussion :¶

Les avantages que je vois à la paroi fermée sont :

• une facilité d'émergence à la surface de l'eau (pas de problème de décompression pour les personnes),
• un volume d'air interne fixe,
• une isostasie raisonnable : la poussée d'Archimède est indépendante de la profondeur, cette derrière peut donc être choisie et maintenue "facilement".

Et concernant une paroi ouverte :

• une facilité de sortie dans l'eau (pas de problème local de pression, ni de sas à passer, ni donc de joints complexes)
• une différence de pression interne-externe indépendante de la profondeur, dictée par la "hauteur sous plafond"
• l'assurance d'une pression interne supérieure à la pression externe : pas besoin de charpente, la paroi peut être une membrane déformable, qui "se tiendra" d'elle-même.

Choix et conséquences :¶

Je choisis la paroi ouverte pour ses avantages low-tech : pas besoin de résister à de fortes pressions, ni à des compressions, ni de concevoir des joints de sas. La paroi sera donc une membrane.

Les inconvénients de ce choix :

• il ne faut pas remonter trop vite vers la surface (problèmes de décompression) $\rightarrow$ il s'agit d'une précaution, cela ne pose pas de problème technique*
• le volume d'air interne est variable : il faudra en tenir compte pour établir les protocoles de changement de profondeur pour ne pas perdre d'air ou en manquer.
• la profondeur à laquelle évolue l'habitat est instable sans dispositif de stabilisation : s'il monte son volume augmente et la poussée d'Archimède avec, il monte donc encore plus, et vice-versa.

*en fonctionnement normal, mais cela doit être pris en compte pour les équipements de secours : en cas d'évacuation, les personnes doivent avoir la possibilité d'effectuer des paliers de décompression.

Deuxième question : comment stabiliser la profondeur ?¶

Il ne me semble pas possible de stabiliser de manière passive la profondeur de l'habitat grâce à un dispositif de palans, poulies, et cordages reliant entre-elles diverses poches d'air (je pense qu'il est possible de faire une démonstration mathématique de ça, mais je n'ai pas voulu essayer, ça ne m'a pas semblé utile). En partant de cette conjecture, je vois 3 choix (illustrés Figure 2) :

• stabiliser activement la profondeur, ce qui nécessite une dépense d'énergie et des capteurs (à gauche) ;
• ancrer l'habitat :
  • au fond de l'eau (au milieu) ;
  • en surface à une bouée (à droite).

Discussion :¶

Un ancrage "classique" au fond de l'eau offre une stabilité géographique, évitant ainsi les collisions avec les reliefs et permettant donc d'être près des côtes, et une grande facilité de mise en œuvre s'il est définitif : il suffit de larguer, relié à un cordage, un paquetage suffisamment lourd pour ne plus avoir à s'en soucier.

À l'inverse, un ancrage en surface permet (et impose presque) la mobilité, et peut être mis en œuvre en des lieux où la profondeur de l'océan est grande. Un ancrage en surface est modérément plus complexe à concevoir qu'un ancrage sur le fond marin.

De son côté, une stabilisation active de la profondeur affranchit de la nécessité d'être près de la surface ou du fond, permet (et impose presque) la mobilité, et rend peu probable que le matériel soit endommagé par une tempête en surface.

Choix et conséquences :¶

Je choisis un ancrage en surface, pour la possibilité de faire pousser des végétaux (culture potagère) dans l'habitat et aller vers l'autosuffisance alimentaire en le maintenant à faible profondeur, dans la zone photique (voir "Et le vivant [...] // Photosynthèse [...]"), et pour l'avantage low-tech d'être raisonnablement facile à mettre en œuvre.

Je garde :

• l'ancrage au fond de l'eau près des côtes pour une première phase de mise en œuvre avant d'essayer de répondre à l'exigence "potentiellement mobile" (voir "Ne pas se couper du monde // Une première phase [...]"), et
• la stabilisation active pour des protocoles de secours en cas de rupture du lien à la bouée (voir section "Et l'éthique [...] // Sécurité des personnes").

En écartant les protocoles de crise, pour évaluer dans un premier temps la faisabilité du fonctionnement normal, l'ancrage en surface rend nécessaire de :

• se préoccuper de ce qu'il se passe lors des tempêtes, lorsque la surface de l'océan est agitée (voir la section non encore écrite de ce document "[...] Mécanique // S'accrocher fermement mais en souplesse à une interface fluide") ;
• avoir une densité globale de l'habitat légèrement plus grande que celle de l'eau environnante, pour couler jusqu'à être retenu par la bouée.

Proposition :¶

Le lest nécessaire à couler légèrement peut notamment constituer le sol de l'habitat, et le substrat de pousse des végétaux : appelons cela de la terre. Au vu des densités relatives de la terre, de l'eau, et de l'air, il faut au moins un volume de "lest" égal au volume aérien. Cela fait un sol plutôt profond, qui facilite la culture potagère.

Cela a un autre intérêt, concernant la forme du sol. On a envie qu'il soit plat, et on peut s'épargner de faire un "plancher", donc une paroi rigide, qui nécessiterait des matériaux difficilement trouvables sous l'eau. En effet, retenir la terre dans un contenant aux parois souples permet aussi d'avoir un sol plat même lorsque l'on marche dessus (grâce à la résistance à la compression de la terre, et à son comportement granulaire : elle ne s'écoule pas comme un liquide). Pour retenir la terre, on peut employer la même membrane que pour le "toit" (Figure 3). On y trouve des avantages low-tech :

• la restriction du nombre de matériaux à trouver/produire et mettre en œuvre ;
• la possibilité d'allonger le cycle de vie du matériau (voir la section non encore écrite "[...] Mécanique // Cycle de vie de la membrane [...]") ;

et cela va également dans le sens d'une autosuffisance en matériaux (voir les sections en chantier "Et le vivant [...] // Le sol [...]" et "Des avancées technologiques [...] // Fabriquer la membrane").

Les premières bases de la structure sont maintenant posées : il n'y a pas beaucoup d'éléments, plutôt tous de facture simple, et presque tous faits du même matériau (voir la section non encore écrite "[...] Mécanique // Cycle de vie de la membrane [...] // Surcyclage [...]").

Il s'agit maintenant de préserver ces aspects "low-tech" en incorporant au fur et à mesure toutes les autres contraintes que je fixe pour ce projet. Là où j'en suis de ma réflexion, ni la membrane contenant l'air, ni celle contenant la terre, ni le système d'ancrage en surface ne ressemblent à cela, et de nouveaux éléments sont ajoutés dont notamment un système de circulation d'air.

J'introduis ces modifications une à une pour que leurs raison d'être soient claires.

Un habitat autosuffisant : air, eau, nourriture, matériaux¶

L'idée est de pouvoir vivre là longtemps, à l'image de ces maisons d'autrefois (ou de maintenant) qui avaient parfois leur puits, souvent leur potager / champs / basse-cour, et que l'on réparait avec la pierre / la terre / le bois / la paille des environs. Je n'aspire pas à plus d'autonomie que cela pour cet habitat, en particulier je ne prévois pas de rendre non pertinent le commerce de biens manufacturés, ni de le couper du monde par un fonctionnement autarcique.

État des lieux des échanges de matière internes et de leurs conséquences¶

À l'échelle de la journée¶

La photosynthèse, lorsqu'il fait jour - variations du volume d'air¶

Comme j'ai dans l'idée que cet habitat soit une serre potagère, il est question d'y faire pousser des plantes. Celles-ci sont à l'origine des principaux échanges gazeux des heures de jour, en convertissant notamment du dioxyde de carbone gazeux et de l'eau liquide en dioxygène gazeux et composés organiques non gazeux à faible teneur en oxygène :

$$x ~ CO_{2~\text{(g)}} + y ~ H_2O_{\text{(l)}} + \varepsilon_1 ~ N_{2~\text{(g)}} + \big[\text{humus et minéraux}\big]_{\text{(s et aq)}} ~~~ \rightarrow ~~~ \left( x + \frac{y}{2} - \varepsilon_2 \right) ~ O_{2~\text{(g)}} + \big[\text{matière organique}\big]_{\text{(s et aq (et minoritairement l et g))}}$$

L’activité photosynthétique des plantes produit donc une augmentation nette de la quantité de matière de gaz : $x + \varepsilon_1 \rightarrow x + \frac{y}{2} - \varepsilon_2$, avec $\varepsilon_1, ~ \varepsilon_2 << x, ~ y$, pour x moles de $CO_{2~\text{(g)}}$ fixées.
À profondeur fixe, cela correspond à une augmentation du volume de gaz au cours des heures de jour, en même temps que de la teneur en dioxygène de l'air augmente et celle en dioxyde de carbone diminue.
Cela a deux conséquences directes à l'échelle de la journée :

• si la membrane qui constitue le toit est trop pleine, l'augmentation du volume fait une perte nette d'air par en dessous des rebords du toit : il faut le prendre compte dans la conception, soit en ne remplissant pas à plein, soit en descendant en profondeur au cours de la journée ;
• il faut faire attention à ce que l'augmentation du volume contenu ne fasse pas que la poussée d'Archimède excède (en intensité) le poids du lest.

Similairement, au cours de la nuit, pendant que les principaux échanges gazeux sont liés à la respiration et que le volume de gaz diminue, il faut prendre garde à ne pas laisser le laisser descendre au point où l'eau inonde le sol, ni au point où on "coule" la bouée.

Il faut donc résoudre cette question mécanique des volumes et des forces pour assurer la pérennité du dispositif (voir la section en chantier "[...] Mécanique // Stabiliser le volume d'air intérieur"), mais il faut pour cela calculer dans un premier temps le volume nécessaire à la survie de ses habitant·es végétal’aux et animal’aux, prenant en compte la respiration.

La respiration, à toute heure - variation de la composition de l'air¶

À court terme, pour pouvoir respirer la nuit, les plantes et les animaux (dont nous) ont besoin d'une composition d'air propice (voir "Et le vivant [...] // La respiration"). On extrait probablement de tout cela un volume d'air minimal par unité de surface cultivée, un autre par être humain ou autre animal. On les ajoute et on a un volume minimal pour "tenir" une nuit, en "espérant" que la journée les réserves de dioxygène se reconstituent, et surtout que le dioxyde de carbone accumulé se "déstocke" de l'air. On verra qu'il n'est pas besoin d'"espérer" : la respiration n'est pas le facteur limitant sur la viabilité de l'air intérieur (voir ci-dessous "Sur du plus long terme // La chaîne alimentaire").

Il y a donc un volume minimal à atteindre, et se pose la question de quelle forme adopter pour y parvenir. La calotte sphérique semble une mauvaise idée parce que plus la bulle est haute, plus la différence de pression intérieure-extérieure est grande au sommet de la serre.

Une surface développable peut paraître sympathique par sa possibilité d'être pliée en n’importe quel endroit pour le stockage ou la mise en œuvre pour un remplacement, aussi j'hésite actuellement entre deux formes (illustrées Figure 4), qui ont malgré tout des recouvrements par plis pour former les bords :

• un demi-cylindre (à gauche). Cela n'est pas la forme exacte, à cause de la variation du différentiel de pression interne-externe avec la hauteur par rapport au 'sol', mais cela en donne une idée.
• un agglutinât latéral de "demi-cylindres" (à droite).

On notera que les deux options que j'envisage ne sont que que des propositions parmi tant d'autres, je n'ai rien qui dise que ce sont les seules possibles ; toutes deux nécessitent d'améliorer le système d'ancrage en surface pour la stabilité (voir la proposition non encore écrite de "[...] Mécanique // S'accrocher fermement mais en souplesse à une interface fluide").

Sur du plus long terme¶

La chaîne alimentaire, un cycle fermé ? - un déficit en $CO_{2~(g)}$ et et $N_{2~(g)}$¶

Si on s'en tient à une autosuffisance alimentaire basée sur des plantes toutes terrestres, l'intégralité du dioxygène consommé par la respiration des êtres vivants (plantes, petits animaux présents dans tous les cas - arthropodes, "vers de terre",... - gros animaux, dont humains) sert à oxyder des éléments ingérés. Ceux-cis, à l'entrée de la chaîne alimentaire, ont une origine photosynthétique interne à l'habitat, et leur synthèse a rejeté l'exacte (ou presque) quantité de dioxygène nécessaire à les oxyder. Mais les plantes synthétisent plus de matière organique (tout n'est pas mangé/digéré/oxydé !) et de dioxygène que cela, et consomment plus de dioxyde de carbone et de diazote que ce que la respiration rejette.

Il y a donc un déséquilibre de l'air interne à long terme, avec un excès de dioxygène, et un manque de dioxyde de carbone et de diazote. Une manière simple de le résoudre en interne est d'oxyder la matière organique excédentaire : on brûle les parties [non comestibles/lentement dégradées], ainsi que les excréments. C'est une solution technique qui n'a pas ma préférence, car je n'entends pas "autonomie" comme "autarcie", et que je ne conçois pas le vivant comme quelque chose que l'on met en stase en le contraignant à boucler sans possibilité d'évolution.

Ouvrir le cycle de la matière organique - permettre une division serre-lulaire¶

L'excès de dioxygène, existant si l'alimentation provient uniquement du vivant émergé interne à l'habitat, peut permettre de varier l'alimentation en introduisant des produits de la mer (ce serait dommage d'être sous l'eau sans une bonne salade d'algues, si elle ont la gentillesse de bien vouloir pousser sur le dessous de la serre ou un autre support qu'on leur fournirait).

On peut aussi, pour s'assurer à peu de frais que l'air reste respirable et propice à la photosynthèse, faire circuler de l'air entre la surface et l'habitat-bulle sous-marin (voir ci-dessous "Favoriser les échanges d'air avec l'extérieur"). Ainsi, même lors de jours de grisaille en série, une éventuelle baisse de la photosynthèse ne pourra pas mettre en danger la respiration.

Ces deux ouvertures des cycles de C, N et O (et un peu d'autres éléments) permettent l'augmentation de la quantité de matière organique interne, qui deviendra à terme plus de terre : c'est un élément essentiel pour que la serre soit autoréplicable et autosuffisante en matériaux (voir "Et le vivant [...] // Le sol : laisser pousser la terre").

Favoriser les échanges d'air avec l'extérieur¶

ATTENTION CETTE SECTION EST LONGUE ET THEORIQUE, ELLE MÉRITERA D'ÊTRE DÉBROUSSAILLÉE APRÈS DES ESSAIS PRATIQUES.

L'INTRODUCTION CI-DESSOUS EST PAR AILLEURS INUTILE POUR LA CONCEPTION CONCRÈTE, ELLE SERVIRA PEUT-ÊTRE SI ON NE COMPREND PAS POURQUOI UN TRUC NE MARCHE PAS ! :)

On veut faire circuler de l'air entre la surface, à pression atmosphérique, et une bulle (/serre/habitat,...), en profondeur, qui est à la pression hydrostatique associée à son point sec le plus bas.

Bien qu'il existe un transport passif des gaz dans l'eau par dissolution, il paraît illusoire de compter dessus au vu des échelles de temps impliquées, sans compter que ce phénomène mène à terme au passage de tout l'air de la bulle vers la surface, par passage vers la zone de plus faible énergie potentielle.

Bien que je n'ai pas prévu de faire de calculs avec, il est peut-être pertinent que je définisse ce que j'entends par "énergie potentielle" dans ce cas.
Je fais les approximations suivantes :

• L'océan a une extension horizontale infinie
• L'air a une masse molaire nulle
• L'océan et l'air sont à la même température $T$, uniforme et invariante.

Dans ce cadre, je définis une énergie potentielle molaire $e_p$ associée à l'air, mais prenant en compte tout le système {eau de l'océan et air immergé}.
Je lui donne pour valeur la somme de l'énergie potentielle de compression de l'air et de l'énergie potentielle d'élévation de l'eau déplacée : $e_p(p,~p_i) = e_{p \text{, eau déplacée}}(p,~p_i) + e_{p \text{, air compressé}}(p,~p_i)$.

Leurs paramètres sont $p$ la profondeur à laquelle se trouve le méso-volume d'air considéré, et $p_i$ la profondeur de l'interface libre eau/air de la bulle dans laquelle il se trouve.
En effet c'est de $p_i$ que dépend la pression $P$ de cet air, via $P(p_i) = P_{atm} + p_i \cdot \rho_{eau}\cdot g$, ou encore $P(p_i) = (p_0 + p_i) \cdot \rho_{eau}\cdot g$ en définissant $p_0 = \frac{P_{atm}}{\rho_{eau}\cdot g} \sim 10\, \text{m}$.

Je fixe par ailleurs à zéro l'énergie potentielle de l'air dans l'atmosphère : $e_{p \text{, ...}}\Big(p \leq 0,~p_i = 0\Big) = 0 \, \text{J}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Cela donne ainsi les expressions de $e_{p \text{, air compressé}}$ et de $e_{p \text{, eau déplacée}}$ :

• $e_{p \text{, air compressé}}\Big({\small(p > 0)},~p_i \geq p\Big) = R \cdot T \cdot \ln{\frac{P(p_i)}{P_{atm}}}$ est l'énergie potentielle de compression isotherme de l'air,

• $e_{p \text{, eau déplacée}}\Big(p > 0,~p_i \geq p\Big) = \text{\{volume molaire\}}(p_i) \cdot \rho_{eau}\cdot g\cdot p$ $~ ~ ~ ~ ~ ~$ où $~ ~ ~ ~ ~ ~$ $\text{\{volume molaire\}}(p_i) = \frac{R \cdot T}{P(p_i)}$

Avec tout ça, on a : $$\frac{e_p}{R \cdot T}\Big(p > 0,~p_i \geq p\Big) = \frac{p}{p_i + p_0} + \ln\frac{p_i + p_0}{p_0}$$

Si le prototype fonctionne, je ne compte pas faire quoi que ce soit de calculatoire. Mais s'il ne fonctionne pas, cette définition d'énergie potentielle sera, je crois, une des choses à utiliser pour comprendre ce sur quoi j'ai été trop optimiste (ou, plus simplement, plus d'expériences feront le même travail, plus efficacement...)

Recycler l'énergie potentielle¶

Le système de circulation d'air doit fournir de l'énergie à l'air qui descend, et justement l'air qui monte perd en énergie potentielle : le système que j'imagine (illustré Figure 5) vise à essayer de la récupérer. Pour cela, je pense à deux conduits ne communiquant pas mais jointifs, globalement verticaux, chacun à sens unique mais en sens contraires, cloisonnés horizontalement en plusieurs étages. À chaque étage on trouve donc deux compartiments, un par conduit, auxquels on impose d'être à même pression par une paroi souple commune :

La forme "en ravioles" plutôt qu'en cylindre permet que deux compartiments d'étages différents n'aient pas de paroi commune.

C'est utile car si deux compartiments ont des pressions différentes et une paroi commune, celle-ci est mise en tension, poussée vers le compartiment de plus basse pression. Si ensuite on veut augmenter la pression de ce compartiment pour transférer de l'air dans l'autre, la paroi doit commencer par se mettre en tension dans l'autre sens avant qu'on arrive à faire changer l'air de compartiment : cette hystérésis fait perdre de l'énergie.

Par ailleurs, la paroi interne à chaque "raviole" a la même surface qu'une des parois internes. Ainsi, même lorsqu'une paroi externe est tendue au maximum, la paroi interne peut se plaquer sur elle lorsqu'un des compartiments est vide.

Capter l'énergie des vagues¶

Par un jeu de valves barocommandées (voir ci-dessous "Des valves barocommandées"), on se ramène à chaque instant ou presque (voir, pour les cas limites, ci-dessous "D'un étage à l'autre") à la situation de 4 compartiments isolés des autres (illustrée Figure 6), entre lesquels l'air peut circuler par des valves à sens unique ($\uparrow$ et $\downarrow$) :

Sur les deux étages visibles, un haut et un bas, aux membranes externes bien tendues, on voit de gauche à droite :

• un état initial où le compartiment du bas du conduit ascendant et le compartiment du haut du conduit descendant sont pleins ;
• un état intermédiaire où plus de la moitié de l'air du conduit ascendant (resp. descendant) est monté (resp. descendu) ;
• un état final où l'air a en quasi totalité circulé dans le sens prévu.

Avant et après le 4cycle (cycle à 4 compartiments) représenté par la succession de ces trois états, l'étage du haut $H$ est à une pression supérieure à celle de l'étage du bas $B$.
Au cours de ce 4cycle, je distingue 3 phases :

• Phase 1 : perte d'$\mathbf{e_p}$ : ouverture de $\uparrow$ et équilibrage des pressions de $H$ et $B$. Cette phase n'est pas thermodynamiquement réversible, il y a donc perte d'une partie de l'énergie potentielle.
  Cette perte peut être réduite pour un étage en en réduisant la hauteur, mais cela augmentant le nombre d'étages. Je n'ai pas encore exploré si cela amène à une réduction totale de la perte : ces considérations viendront après le test du prototype, car s'il n'est pas fonctionnel elles seront inutiles.

• Phase 2 : pompage réversible : chaque fois qu'une crête de vague (et la zone de surpression en dessous d'elle) passe au dessus de $H$, cet étage est comprimé, et de l'air circule via $\downarrow$. Chaque fois que cesse cette compression, $H$, ayant moins d'air qu'avant, se retrouve en dépression, et de l'air circule via $\uparrow$. Ce dernier effet est accentué par la compression de $B$ par les vagues. Ces deux étapes se répètent jusqu'à ce que le compartiment de $B$ du côté conduit ascendant est vide. La succession des trois illustrations correspond à cette "Phase 2".

• Phase 3 : surpression finale : à la fin du pompage réversible, les deux étages sont toujours à la même pression, et le compartiment de $H$ du côté du conduit descendant n'est pas totalement vide. Là, il faut une mise en pression suffisante par les vagues pour le purger en entier, amenant à une situation finale où les deux étages sont à nouveau à pression hydrostatique, et où l'air contenu dans les deux étages a été échangé.

En principe, pour des valves idéales, même les vagues les plus petites suffisent à assurer cette circulation (sauf pour la "surpression finale", où les vagues doivent fournir de quoi récupérer l'énergie potentielle perdue à la phase 1), mais le temps nécessaire à effectuer un 4cycle complet est une des inconnues importantes de l'affaire. Un des leviers d'action pour réduire ce temps est d'incliner le conduit pour que les zones de surpression/dépression sous les vagues ne rencontrent pas en même temps deux étages voisins. Ce n'est cependant pas une nécessité absolue pour un fonctionnement à un régime minimal, vu l’atténuation exponentielle avec la profondeur de l'amplitude de la variation de pression sous les vagues (voir "Comprendre l'océan [...] // La houle [...]")

Un phénomène qui pourrait poser problème lors du pompage réversible est l’effet de seuil des valves : si la surpression nécessaire à l'ouverture de la valve n'est pas nulle, similairement peut-être à la tension de seuil d'une diode, il y aura des vagues qui seront trop petites pour provoquer une surpression suffisant à ouvrir $\downarrow$. Le concept de "valve idéale" correspond au cas où cet effet de seuil est inexistant.

Voyons maintenant comment s'enchaînent les 4cycles :

D'un étage à l'autre¶

Sur la figure 7, initialement (image de gauche) dans l'étage du haut c'est le compartiment de $D$, le conduit descendant, qui est rempli, tandis qu'à tous les autres étages c'est le compartiment de $A$, le conduit ascendant, qui est totalement plein. À la fin, après une succession de cycles à 4 compartiments (marqués en pointillés rouges) l'air du compartiment plein de $D$ est descendu de 3 étages, pendant que dans $A$, trois compartiments ont vu leur air monter d'un étage. Globalement, les débits moyens dans les deux conduits $A$ et $D$ sont les mêmes sur cet exemple, on s'assure donc de ne pas perturber la stabilité de l'habitat lors du renouvellement de son air intérieur.

Appelons pour la suite les compartiments par le couple des initiales de leurs conduit ($A$ ou $D$) et de leur étage ($H$ ou $B$).

La compressibilité de l'air fait qu'il faut réfléchir à la taille relative des compartiments pour que les débits soient les mêmes dans les deux conduits. Considérons un 4cycle impliquant $AH$, $DH$, $DB$ et $DA$.

• Si $AB$ contient une quantité de matière d'air moins importante que $DH$ ($n_{AB}<n_{DH}$), alors $DH$ n'est pas purgé quand $H$ et $B$ reviennent chacun à la pression hydrostatique de sa profondeur : c'est comme si une partie du conduit était inutilisée.

• Si au contraire $n_{AB}>n_{DH}$, alors on réduit le travail que doit fournir la surpression finale, et une fois $DH$ purgé, $H$ est encore à une pression supérieure à la pression hydrostatique de sa profondeur. Il y a donc de l'air en plus dans $AH$ par rapport à la situation où les étages sont revenus à leurs pressions initiales. C'est une situation équivalente à la situation de départ mais décalée d'un étage vers le haut : un étage surdimensionné en bas des conduits suffit à réduire le travail que doit fournir chaque surpression finale comprimant un étage au dessus. En contrepartie, $DB$ n'est pas plein quand le cycle s'achève, et le débit ascendant est plus élevé que le débit descendant.

Cette dernière situation peut avoir des avantages dans des cas particuliers, mais je crois qu'elle n'est pas compatible avec le fonctionnement des valves que je propose : il y a quelque chose à creuser à ce sujet, plus tard, après des essais.

Dans la suite, je considère le cas où les hauteurs des étages, leurs géométries, et l'inclinaison du conduit total font que lorsque les étages sont pleins / à pression hydrostatique de l'eau au niveau de leur base, ils contiennent tous la même quantité de matière d'air.

Pour assurer la succession des 4cycles décrite ici, il faut concevoir des valves (à sens unique) qui s'ouvrent et se ferment au début et à la fin des 4cycles les concernant.

Des valves barocommandées¶

Une valve à sens unique¶

Une technologie déjà éprouvée existe pour faire des valves à sens unique à partir de membranes inélastiques, elle est notamment mise en œuvre dans les ballons de fête foraine à forme prédéfinie. Sur internet on les trouve avec le nom de "mylar foil self-sealing balloon", une image de l'un d'entre eux ouvert avec la valve à peu près visible (traversée par une paille) est disponible ici. Comme je trouve l'image peu éloquente, voilà une description (illustrée Figure 8, image de gauche) :

Il s'agit simplement de deux rectangles de membrane (représentés nervurés de couleurs différentes), superposés, soudés ensemble par leurs longs bords. Un des petits bords est libre dans le compartiment aval (noté $-$), et l'autre est pris dans la paroi qui donne sur le compartiment amont (noté $+$). Les flèches en pointillés indiquent la circulation d'air, qui a lieu lorsque $+$ est en surpression par rapport à $-$.

Pour une réalisation facile sans aboutement complexe du petit bord sur la paroi, il faut faire passer la valve au travers d'un 'pli' de la paroi (concavité côté amont), sinon elle a probablement des problèmes d'ouverture, par la même logique que ce qui fait qu'elle se ferme dans le sens non passant (détaillée ci-dessous), et cela contribue à l'existence d'un effet de seuil pour l'ouverture de la valve.

En cas de surpression dans $+$, les rectangles s'écartent par le milieu de leur longue dimension (c'est la configuration illustrée), et l'air s'écoule d'un compartiment à l'autre. Dans le cas inverse (non illustré), même si les rectangles sont écartés, la pression dans la valve est moindre que la pression dans le compartiment qui l'entoure, et les rectangles se retrouvent plaqués l'un contre l'autre par cette différence de pression : la valve se ferme, l'air ne circule pas (un peu d'air passe le temps de la fermeture de la valve, cela mériterait d'être quantifié si le système de circulation d'air ne fonctionne pas bien).

Cette valve a donc une fermeture dynamiquement déclenchée par le passage d'air en sens contraire, et reste ensuite fermée parce que rien ne vient l'ouvrir, mais un tout petit effet tendant à l'ouverture pourrait suffire à laisser passer un filet d'air (soit trop faible pour déclencher la fermeture, soit la déclenchant périodiquement lorsqu'il devient assez fort). C'est pour éviter cela je crois que la valve est formée de deux rectangles, plutôt que d'un seul replié sur lui-même et soudé d'un côté seulement, ou d'un tube simplement aplati.

Pour l'instant j'ai vu deux modèles de valves à sens uniques. Dans celui d'allure la plus élaborée (illustré Figure 8, image de droite), la soudure entre les deux rectangles n'a pas un bord droit mais ondulé (plus proche d'une cycloïde que d'une sinusoïde), formant une succession de goulets d'étranglement que j'interprète comme propices à accélérer la fermeture de la valve, en augmentant la différence de pression par effet Venturi. Peut-être sera-t-il nécessaire de réfléchir à ce genre d'améliorations des valves, mais j'ai l'espoir que ce ne soit pas nécessaire car :

• pour $\uparrow$, l'implantation verticale ascendante de la valve fait que son propre poids tend à plier en la ramenant vers le bas, accélérant sa fermeture ;
• pour $\downarrow$, la condensation probablement inévitable (voir la section non encore écrite "Un habitat autosuffisant [...] // Le cycle de l'eau [...]") fait que ces valves fonctionneront en contexte humide, et si leur matériau est hydrophile (comme ce sera probablement le cas si on parvient à les faire à partir de plantes), la pellicule d'eau qui les tapissera tendra à les fermer puisque cela minimiserait l'énergie d'interaction de surface.

Ces deux effets contribueront par ailleurs à l'effet de seuil des valves, qui lui est malheureusement indésirable.

Maintenant qu'on a des valves à sens unique, il reste à piloter leur ouverture/fermeture pour pouvoir réaliser des 4cycles. Plus précisément, ce sont les $\uparrow$ qu'il faut pouvoir condamner temporairement, en effet si elles sont toujours ouvertes l'air circule dans le conduit ascendant sans qu'on récupère son énergie potentielle. A contrario, si de l'air descend au travers d'une $\downarrow$ à un moment imprévu, c'est un "bonus" d'énergie potentielle qu'il n'est pas nécessaire de s'épargner. Cette dernière affirmation est à vérifier une fois choisi un mode de fonctionnement des valves.

Appliquer une pression de commande, un possible problème récursif¶

Pour piloter l'ouverture d'une valve (ici à sens unique), si on veut qu'elle soit "barocommandée", il faut lui adjoindre au moins un compartiment annexe ayant une paroi déformable permettant l'application d'une pression "de commande". Même si cette pression de commande pourrait être appliquée par l'extérieur du conduit, dans la suite "compartiment annexe" se référera toujours à une partie de l'espace délimitée par des membranes.

Je propose d'appeler "état de base" de la valve son état (ouvert ou fermé, toujours dans le sens passant) lorsque le compartiment annexe est en dépression relative, donc lorsque la forme de la paroi de commande est indépendante de l'existence ou non du compartiment annexe de l'autre côté.

Ainsi, chaque commande de valve nécessite qu'une pression soit exercée depuis un compartiment tiers. Pour une ouverture ou fermeture ponctuelle, cela peut se faire depuis un compartiment déjà existant, mais pour une commande "ouvrir/fermer jusqu'à nouvel ordre", il faut intégrer un compartiment annexe dédié, qui sera mis en pression ponctuellement et le restera ensuite. Or, cela voudrait dire avoir une valve pilotable également pour ce compartiment, on semble revenu au point de départ : il faut construire une valve pilotable.

Pour étudier plus précisément ce problème, partons de la situation illustrée Figure 9 :

• 3 étages, $H$ en haut, $M$ au milieu, et $B$ en bas.
• On veut passer du 4cycle mis en évidence à gauche, impliquant $AH$, $DH$, $DM$, et $AM$,
  $~~~~~~~~~~~~$ à un autre 4cycle, mis en évidence à droite, impliquant $AM$, $DM$, $DB$, et $AB$.
• Cette transition correspond, pour les valves $\uparrow$ de $A$, à la fermeture de la valve du haut ($\uparrow h$), et à l'ouverture de celle du bas ($\uparrow b$).
• Les valves $\downarrow$ de $D$ restent ouvertes en toutes circonstances, on ne s'en préoccupe pas.

Sur l'image de gauche, le 4cycle du haut est totalement terminé et chaque étage est à une pression différente. Le passage à l'image de droite illustre la phase 1 de "perte irréversible d'énergie potentielle" du 4cycle du bas au moment où $\uparrow b$ s'ouvre : une partie de [l'air contenu dans] $AB$ se vide dans $AM$ jusqu'à ce que les étages $M$ et $B$ soient à la même pression (la paroi externe de $B$ est donc aussi moins tendue après, mais je n'ai pas pris la peine de représenter cela).

Les choses étant nommées, on cherche comment fermer $\uparrow h$ et ouvrir $\uparrow b$ au moment correspondant à l'image de gauche, pour arriver à celui de l'image de droite ; voilà plusieurs pistes :

• Au moment de la phase 1 du 4cycle du bas, on a un écoulement continu au travers de $\uparrow b$, et le conduit de sortie $cb$ de $\uparrow b$ peut pendant tout ce temps être utilisé comme pseudo-compartiment annexe pour fermer $\uparrow h$ : le temps de l'écoulement, chaque point de $cb$ est à une pression supérieure à celle de $AM$, même si $cb$ n'est pas fermé, et surtout s'il a une constriction près de sa sortie. L'utilisation d'une zone non fermée (que j'appelle "pseudo-compartiment") comme compartiment annexe permet de ne pas avoir besoin d'une nouvelle valve pilotable.
• Avant la phase 1 du 4cycle du bas, $AM$ est totalement vide, et la paroi séparant $A$ et $D$ y est plaquée sur la paroi extérieure de $AM$ : on peut utiliser ce contact pour fermer $\uparrow h$ (comme un clapet que l'on pousserait en place).
• On peut faire des valves à mémoire, qui restent ouvertes ou fermées par l'existence de deux minima de leur énergie potentielle de déformation (exemple : un cylindre légèrement rigide aura tendance à s'ouvrir s'il est un peu aplati, mais si sa paroi interne est enduite d'un liquide la mouillant totalement et à la tension de surface suffisamment grande, s'il est écrasé ce liquide le gardera en l'état ; autre option le gardant fermé, s'il est malgré tout peu rigide, il peut commencer à se retrousser comme une chaussette, et rester bloqué à mi-chemin comme dans quelques cas vraiment désagréables d'occlusion intestinale).

Les deux dernières propositions, combinées, permettent une proposition qui semble fonctionnelle.

Une valve à deux états stables, mémorisant son état d'ouverture¶

Les explications qui suivent visent à faire une proposition concrète de valve à deux états actionnée en fermeture par le contact de la paroi centrale. Elles se rapportent à la Figure 10, en regardant les sous-figures à partir du haut gauche et dans le sens horaire.

Lorsque la surpression est dans le sens passant (ligne du haut, où je représente la valve $\uparrow h$ à la fin du 4cycle du haut) :

• l'air circule (image de gauche), sauf si
• on ferme la valve en appuyant dessus (image centrale), par exemple avec la paroi centrale (dont la poussée est représentée par la grosse flèche). Suite à cette fermeture,
• la surpression enfonce la valve dans la paroi et la verrouille fermée (image de droite).

Lorsque la surpression s'inverse (ligne du bas de droite à gauche, je représente ce qu'il se passe pour la valve $\uparrow b$, également à la fin du 4cycle du haut) :

• la surpression dans $-$ ferme la partie à sens unique, dont les deux feuillets, vert et bleu, sont donc superposés (image de droite). En conséquence,
• l'air contenu dans la valve est comprimé jusqu'à la pression de $AM$, et presse sur la paroi de la partie "à deux états", dont il annule l'enfoncement (image centrale), puis, finalement,
• ce même air interne à la même pression que $AM$ finit par ouvrir la partie à sens unique de la valve, qui n'est plus verrouillé, (image de gauche) : la valve est donc maintenant susceptible de s'ouvrir dans son sens passant dès que la surpression s'inversera de nouveau.

Ces deux lignes d'images représentent les états successifs de deux valves différentes ($\uparrow h$ pour la ligne 1 et $\uparrow b$ pour la ligne 2) au même moment : la fin du 4cycle impliquant $\uparrow h$, qui est aussi le début de celui impliquant $\uparrow b$. Mais on peut également lire la deuxième ligne comme décrivant les états de $\uparrow h$ quand commence le 4cycle l'impliquant. Ainsi, les 8 images, lues en boucle dans le sens horaire, représentent le cycle complet des état par lesquels passe une valve à deux états stables : l'état ouvert est en haut à gauche, l'état fermé est en haut à droite, et les autres sont seulement des états transitoires ou dans lesquels la valve est de toute façon fermée par sa partie à sens unique.

Une des questions que l'explication ci-dessus peut faire naître est "quelle est donc cette surpression 'inversée' $P(AM)>P(AB)$ qui correspond à la ligne du bas ?". Elle peut se produire seulement si $\big[\uparrow h$ est fermée OU $AM$ est vide$\big]$ ET $\big[$une vague comprime l'étage $M$ plus que $B\big]$ ; la première condition est remplie à la fin du 4cycle du haut, mais la seconde est un nouvel élément nécessitant une vague d'ampleur non négligeable, comme la "surpression finale", et que j'appellerai donc la "surpression initiale". Celle-ci n'est pas une nécessité intrinsèque de la succession de 4cycles, mais vient du fonctionnement de la valve ; je n'ai cependant pas trouvé d'alternative pour l'instant et les valves proposées plus bas en nécessitent une également.

Même si la valve cylindrique décrite ci-dessus semble viable, je la trouve peu compatible avec les principes low-tech pour deux raisons :

• elle nécessite une qualité particulière de membrane, à la fois résistante à des pliures marquées successives, et avec une rigidité dans l'intervalle qui permet à la fois de la plier en poussant mais qu'elle ne se plie pas par l'aspiration Venturi lors du passage de l'air. Hors, en low tech on essaie d'éviter les matériaux spécialisés, pour ne pas multiplier les unités de production et s'autoriser une flexibilité pour utiliser ce qui est disponible. En l’occurrence l'éventuelle membrane biosourcée et biodégradable que j'aimerais faire (voir "Des avancées technologiques [...] // Fabriquer la membrane") ne nous offrira probablement pas une large palette de paramètres physiques ;
• elle nécessite un assemblage de précision, avec un volume interne suffisant pour permettre le dépliement de la valve, une géométrie assurant une étanchéité raisonnable une fois pliée, des surfaces non développables, des 'soudures' courbes, un emplacement compatible avec un écrasement par la paroi centrale,... Plus un élément a des contraintes fortes sur sa géométrie, plus il est difficile à réaliser, donc plus le travail / l'outil le fabriquant doit être précis, on retombe donc dans la logique de spécialisation que la low-tech essaie d'éviter pour se rendre accessible à toustes.

Je n'ai donc pas approfondi la question de la valve à deux états ni de l'action de contact de la paroi centrale (peut-être peut-on cependant faire des valves low-tech utilisant ces concepts, je n'ai pas la prétention d'avoir tout exploré en ces sens), et je suis parti sur la piste du pseudo-compartiment annexe.

Une valve de facture simple, à pseudo-compartiment annexe¶

J'ai réfléchi à partir d'une valve dont l'état de base est "fermé", ainsi, si le compartiment annexe a une fuite, la valve est fermée, évitant de vidanger à la surface tout l'air présent dans l'habitat. Outre cette considération de sécurité, le compartiment amont est pensé comme étant susceptible de voir sa pression interne augmenter par compression par les vagues sans que la valve ne s'ouvre. Hors, ce qui commande l'ouverture de la valve sera toujours une différence de pression et pas une pression absolue, aussi la valve serait susceptible de fuir en cas de trop grande surpression, ce qui n'est peut-être pas ce que l'on veut.

Je ne suis cependant pas tout à fait sûr de ce choix, car une valve qui fuirait en cas de trop grande surpression dans le compartiment amont éviterait la déchirure de sa membrane.

J'ai malgré tout fait le choix d'une valve là dessus que je suis parti pour l'instant, remettant à plus tard la réflexion sur les dysfonctionnements possibles en cas de tempête (voir la section non encore écrite "[...] Mécanique // Stabilité et intégrité [...] // Résistance du double-conduit d'aération").

Pour y parvenir, je propose de mettre tête bêche deux valves à sens unique pour créer une valve toujours fermée, et réfléchir ensuite à comment en ouvrir une :

Dans les deux options illustrées Figure 11, les valves à sens unique ajoutées "à contre courant" sont représentées "en train de se fermer" pour une meilleure visualisation. Ces deux figures représentent les deux ordre possible pour une mise en série de deux valves "à rectangles soudés" tête bêche.

La version de gauche (soudure par la paroi) ne nécessite pas de paroi supplémentaire, aussi j'ai travaillé à partir d'elle dans un souci d'économie de matériau, mais la version de droite, si l'on en raboute les rectangles verts ensemble, et les rectangles bleus ensembles, offre je crois le plus simple exemple de valve à état de base "ouvert", dont le compartiment annexe, couleur 'paroi' (marron-rouge), enserre le conduit de passage de l'air.

Pour forcer l'ouverture de la valve, je propose d'ajouter sur sa face externe (plutôt qu'à l'intérieur d'elle, par souci d'étanchéité) une ou plusieurs nouvelles parois, fermant un (vrai ou pseudo-) compartiment annexe (à une ou plusieurs chambres) dont le gonflement déforme la valve et l'empêche de fermer correctement. Dans les propositions de la Figure 12, en haut les valves sont fermées, en bas elles sont ouvertes, et chaque colonne est un modèle différent.

Pour faciliter la lecture des images :

• l'axe de vue est confondu avec l'axe de la valve, et la partie "à sens unique" de la valve n'est pas représentée ;
• sur les vues 'fermées', j'ai écarté les rectangle de membranes qui sont normalement plaqués entre eux pour rendre visible leur superposition, les soudures sont figurée par des plans entièrement gris, et la paroi traversée par la valve n'est pas représentée ;
• sur les vues 'ouvertes' je n'ai pas représenté les zones de soudure des rectangles de membrane mais seulement des lignes de contact. Chaque rectangle ayant une teinte différente, les zones de l'espace fermées par deux rectangles sont bicolores.

Il y a ici trois modèles, dont je n'ai pas encore fignolé la représentation au niveau de l'insertion de la valve dans la paroi, et qui présentent encore des problèmes de superposition de différents morceaux.

Dans les images du bas, les zones coloriées d'une autre couleur que la paroi sont les chambres gonflées du compartiment annexe. Les propositions de gauche et du milieu sont faites à partir de la valve à sens unique "à deux rectangles" présentée plus haut (voir ci-dessus "Une valve à sens unique"), et celle de droite utilise la paroi externe d'un compartiment à la place d'un de ces deux rectangles.

Ce dernier modèle me plaît parce qu'il correspond à une économie de matière et de temps de travail, et exploite deux phénomènes que je trouve intéressants. D'une part, en haut d'un compartiment la pression de l'air interne est toujours plus grande que la pression de l'eau de l'autre côté, donc que la paroi en bleu de la valve ne se plaquera jamais sur l'autre en refermant la valve. D'autre part, l'air contenu dans le compartiment tend au maximum la paroi verte, raccourcie par le gonflage du compartiment annexe, donc la géométrie du conduit de la valve est entièrement contrainte (j'ai toutefois exagéré le gonflement de la paroi bleue, elle forme normalement un arc moins concave que ce demi-cercle).

Malgré mon affection pour son esthétique intellectuelle, cette valve est susceptible d'avoir des fuites parce que près de la soudure, les membranes externes vont probablement se rider (phénomène de 'wrinckling'). En effet, deux surfaces développables soudées sur un contour fermé lorsqu'elles sont posées à plat l'une sur l'autre ne peuvent pas, sans plis ou micro-extensions, enfermer un volume non nul. Et si une paroi de la valve gondole, rien n'impose que l'autre le fasse identiquement, et la valve fuit. J'ai bon espoir que les ridules se concentrent hors de la zone de jonction entre deux étages, où se situerait la valve (l'étranglement entre deux de ces 'ravioles' sera en effet plus rigide car aura entre 3 et peut-être plus de 6 épaisseurs de membrane soudées), mais cela doit être expérimenté.

En cas de problème avec la valve 'liée' (à la paroi du compartiment) du modèle de droite, je trouve des avantages différents aux deux propositions à valve 'libre' que je fais ici : le modèle de gauche nécessite le moins de réflexion, on soude simplement 4 rectangles identiques pour le fabriquer, et celui du milieu est le plus économe en matériau que j'ai à proposer pour l'instant en valve 'libre', avec le nombre minimal chambres au compartiment annexe. En effet, si on gonfle un compartiment annexe à une seule chambre soudée à plat (pour l'aspect low-tech de simplicité de fabrication) sur la paroi d'une valve libre, le reste de cette paroi peut encore venir se plaquer dessus et fermer la valve. Ces choses sont à explorer plus en profondeur, et surtout à tester !

Ma proposition pour le premier essai de valve barocommandée pour le système de circulation d'air¶

Cette sous-section est une proposition concrète pour réaliser la valve $\uparrow b$ du conduit ascendant, qui doit s'ouvrir au moment où se ferme $\uparrow h$, qui est au dessus, et ensuite se fermer lorsque s'ouvre $\uparrow s$, la valve qui est sous elle.

Je propose d'utiliser dans un premier temps la valve la plus facile à réaliser, le modèle tout à gauche où le compartiment annexe a 4 chambres. En faisant dépasser un peu les rectangles de membrane les plus extérieurs, on peut faire communiquer les chambres du compartiment annexe par des lacunes dans les soudures (je parle de soudure plutôt que de collage pour l'instant parce que j'ai commencé quelques tests qui se sont révélés très prometteurs au fer à repasser, sur du plastique de cubi entre deux chiffons de coton, en attendant de travailler sur la nature du matériau de la membrane).

On peut ensuite relier le compartiment annexe $ca\uparrow b$ de $\uparrow b$ au compartiment $DM$, qui est le seul à contenir de l'air à l'étage $M$ au moment où $\uparrow b$ doit s'ouvrir, à la fin du 4cycle du haut. Ainsi, $\uparrow b$ ne s'ouvrira que quand arrivera la 'surpression initiale' du 4cycle du bas (voir la définition donnée ci-dessus, paragraphe "Une valve à deux états [...]"), peu probable avant la fin du 4cycle du haut car $\uparrow h$ est ouverte et régule la pression dans $M$ par un écoulement préférentiellement vers $H$ plutôt que vers $B$.

Quand $ca\uparrow b$ est rempli, on veut éviter qu'il se vide aussitôt que la houle cesse de comprimer $M$, aussi on le ferme par une autre valve barocommandée, $\uparrow b2$, 'fermée' par défaut, qui elle n'est pas une valve à sens unique et peut toujours s'ouvrir pour remplir $ca\uparrow b$ depuis $DM$.

$\uparrow b2$ doit s'ouvrir de $ca\uparrow b$ vers $DM$ lorsque $\uparrow b$ doit se fermer, donc à la fin du 4cycle du bas, ce qui est également au début du 4cycle d'encore en dessous, donc quand $\uparrow s$ s'ouvrira : le compartiment annexe $ca\uparrow b2$ peut directement être relié au conduit $cs$ de sortie de $\uparrow s$ dans $AB$.

$ca\uparrow b2$ peut même être le lieu de débouché de $cs$ dans $AM$ : tant que le trou qui relie $ca\uparrow b2~/~cs$ à $AB$ est notablement plus étroit que $cs$, la surpression qui y existe par rapport à $ca\uparrow b$ et à $AB$ pendant la première phase de "perte irréversible d'énergie potentielle" du 4cycle impliquant $\uparrow s$ devrait (je l'espère en tout cas, à voir avec un éventuel effet de seuil) suffire à ouvrir $\uparrow b2$ et purger $ca \uparrow b$. Comme on peut réduire arbitrairement la taille du trou de sortie de ce pseudo-compartiment $ca\uparrow b2~/~cs$ pour le conserver à une plus grande pression plus longtemps, il est probable qu'on arrive à faire fonctionner ce dispositif.

Cependant, si le trou est trop petit, le 4cycle en est très ralenti et il est même possible qu'il en soit perturbé, car alors $\uparrow s$ ne serait pas suffisamment ouverte pour que l'écoulement d'air dans $AB$ soit assez rapide pour dissiper les surpressions de l'étage d'en dessous, l'empêchant de déclencher le 4cycle suivant en atteignant la pression correspondant à sa 'surpression initiale'.

Si un tel problème se présente, il est possible d'améliorer la valve en englobant $ca\uparrow b$ dans $ca\uparrow b2~/~cs$, aidant à sa purge par surpression.

En ce cas, on peut aussi prolonger $ca\uparrow b2~/~cs$ jusqu'à englober une petite portion de la partie de $\uparrow b$ qui est dans $AB$, assurant sa fermeture le temps $ca\uparrow b$ se vide, évitant une perte d'énergie par fuite de valve.

Je pense encore à un dernier problème concernant le fonctionnement de cette valve : $ca \uparrow b$ se remplit avec de l'air de $DM$, qui ensuite retourne dans ce compartiment : il y a donc 'stagnation' d'une partie de l'air du conduit descendant impliqué dans un 4cycle, décalant l'équilibre entre les flux ascendants et descendants. Si jamais cela est trop problématique, on peut envisager que la vidange de $ca \uparrow b$ se fasse dans $DB$ plutôt que $DM$, mais cela la rend moins spontané car la pression y est en moyenne plus élevée.

Je n'ai pas illustré cette section car j'espère pouvoir le faire avec des photos du test que je ferai dès mon retour en France !

Faire entrer l'air dans le conduit : proposition de piston souple¶

Le fonctionnement des 4cycles décrits jusqu'à présent nécessite que les étages soient fermés, pour que leur compression par les vagues aboutisse à d'assez grandes surpressions pour faire changer l'air d'étage. En effet, je compte sur la pression dynamique de l'eau ayant un mouvement centripète au moment du début de la compression pour atteindre dans les étages des pressions plus grandes que la pression statique ambiante.

L'habitat proposé n'est pas fermé, aussi il ne peut a priori pas être mis en pression de la sorte, par chance cela n'est pas bloquant car dans un 4cycle c'est l'étage du haut qu'il faut le plus comprimer de la sorte, et que la serre jouera toujours le rôle de l'étage le plus bas. Ou du moins, dans un premier temps, mais peut-être qu'une variation pourrait être introduite plus tard pour baisser l'humidité de l'air si nécessaire (voir la section non encore écrite "Un habitat autosuffisant [...] // Le cycle de l'eau [...]").

C'est donc au niveau de la surface de l'océan que se pose le plus le problème du compartiment non fermé : l'atmosphère n'est pas mise en pression par les vagues (ou de manière infime par rapport aux besoins de mon dispositif). Pour pallier à ce problème, je propose de construire un compartiment émergé qui se remplit d'air à la pression atmosphérique, puis qui est mis en pression par les vagues.

Un compartiment à la paroi souple mais avec une forme propre¶

Le compartiment en surface ne peut pas être une simple paire de membranes soudées comme les compartiments immergés, car rien ne pousserait l'air à entrer dedans : il doit avoir une forme propre, et je propose de l'obtenir par gonflage de la paroi. La Figure 13 illustre une vue en coupe d'une première ébauche de proposition :

La paroi de ce compartiment émergé $ce$ est faite (hors partie basse) de deux longues bandes de membrane, identiques, soudées ensemble par leur bords, puis ce long serpentin est soudé en spirale 3D puis gonflé, ce qui donne sa forme propre vaguement sphérique à $ce$.

La partie basse ferme le tout en autorisant un mouvement de grande amplitude verticale à son point central. En effet, passant par ce point et y étant soudé, une corde relie le sommet de $ce$ (par l'intérieur) à un volume immergée $vi$. Cela permet que la corde ait un mouvement vertical par rapport au bas de $ce$ sans avoir à faire de joint mobile.

Lorsqu'une vague soulève $ce$, elle déplace moins $vi$, et le sommet de $ce$ est tiré vers le bas par la corde. $ce$ est ainsi comprimé par les actions conjointes de la vague et de la corde, et de l'air est envoyé via la valve du bas dans le conduit descendant $D$. Lorsque la vague permet à $ce$ de redescendre, il reprend sa forme, et de l'air rentre par la valve du haut.

Quelques propositions pour améliorer cette ébauche¶

• Ce système est améliorable en utilisant l'air sortant du conduit ascendant $A$, inutilisé dans cette ébauche, pour aider $ce$ à reprendre sa forme, et il faut de toute façon faire en sorte que la valve $\uparrow$ du compartiment le plus haut de $A$ s'ouvre à un moment opportun pour le purger quand son vis à vis de $D$ est vide et doit être rempli ;

• la surface du bas de $ce$ sera, avec la proposition actuelle, soumise à beaucoup de déformations et de frottements, il faudrait tâcher de de réduire cela pour ne pas avoir besoin d'un matériau spécifique. Par exemple la corde, plutôt que de passer par l'intérieur de $ce$, peut l'enserrer de l'extérieur. En ce cas la mise en pression se fera en plus par compression latérale là où passe la corde, mais les problèmes de frottement et de déformation seront simplement déplacés ;

• $ce$ peut être arrimé à un objet flottant plus grand, par exemple la bouée ancrant l'habitat à la surface pour permettre une plus grande compression (le bas de $ce$ coulera alors moins au passage des vagues) ;

• $vi$ peut éventuellement être l'habitat ;

• en cas de combinaison de ces deux dernières propositions, la corde peut être celle reliant la bouée à l'habitat.

À partir d'ici et jusqu'à la fin, les sections sont seulement ébauchées.¶

Elles ne contiennent donc que des annonces courtes de leur contenu futur.

Je serai ravi de commencer par détailler celles qu'on me suggérera de travailler !¶

Le cycle de l'eau : les interactions avec l’extérieur comme source de liquide¶

Liquéfaction par influence de la température¶

L'air de l'habitat est plus chaud en journée que l'eau environnante, car il est au contact du sol qui absorbe le rayonnement solaire.

Le puits de sortie de la serre (voir "Ne pas se couper du monde // Sortir de sa bulle") donne directement sur l'eau : l'air intérieur peut se charger en eau jusqu'à saturation, sans compter l'évapotranspiration des plantes.

Il y a donc condensation liquide sur la paroi de la serre, permettant de récolter de l'eau douce ou de la faire ruisseler jusqu'aux bacs de culture.

Liquéfaction par influence de la pression¶

L'augmentation de la pression de l'air au fur et à mesure de son avancée dans le conduit descendant amène à une augmentation de $P_{H_2O}$, qui est probablement déjà aux alentours de $P_{H_2O \text{, sat}}$ à la surface, et la dépasse donc : il y a condensation, et ruissellement dans le conduit. On peut donc récupérer de l'eau également en bas du conduit descendant, tandis que l'autre devrait rester sec.

Trop d'eau ?¶

Si l'air est trop saturé en humidité, on peut faire couder le double-conduit d'arrivée d'air plus bas que l'entrée de la serre pour déshumidifier plus l'air avant d'entrer.

Pas assez d'eau ?¶

C'est plus pénible mais on peut forcer de l’évaporation à partir de l'eau de mer en brûlant de la matière organique "en excès" comme évoqué plus haut.

Un autre moyen moins low-tech pour l'instant implique l'utilisation d'une membrane semi-perméable au bout d'un long tube plongé vers le bas dans la mer, faisant un genre de puits qui ne se remplit pas très vite (voir "Des avancées technologiques [...] // Fabriquer la membrane").

Des histoires de mécanique !¶

Stabiliser le volume d'air intérieur¶

Amplitude prévue des variations¶

Photosynthèse et respiration¶

$\rightarrow$ ordre de grandeur à calculer (voir "Et le vivant [...] // La respiration").

Changements de profondeur¶

$\rightarrow$ ordre de grandeur à calculer (voir "Comprendre l'océan, un minimum").

Proposition : un ballast en contrepoint¶

On peut stocker de l'air dans des bulles annexes lestées pour être légèrement plus denses que l'eau, suspendues plus profond que la serre. Quand la serre descend, on monte une par une ces bulles pour relâcher leur air dans la serre. Cela permet de :

• stabiliser le volume interne de la serre ;
• stabiliser la poussée d'Archimède totale en montant des bulles quand la serre descend.

On peut (avantage low-tech d'emploi multiple d'un même élément) utiliser comme "bulles annexes" les "cloches de plongée" proposées pour sortir des serres (voir "Ne pas se couper du monde // Sortir de sa bulle").

Une membrane qui résiste à quelques mètres de hauteur sous plafond¶

La tension maximale que doit soutenir la membrane est fonction de $\frac{\text{sa surface}}{\text{son périmètre}}$, de l'angle qu'elle fait entre ses bords d'attache, et de la différence de pression de part et d'autre d'elle (cette dernière étant proportionnelle à la hauteur sous plafond).

Stratégie de réduction de la différence de pression interne-externe¶

Avec N épaisseurs de membranes enchâssées comme des "poupées gigognes" délimitant plusieurs espaces étroits, tous ceux-ci peuvent avoir leurs interfaces eau-air à des hauteurs différentes, échelonnée. Cela fait que la différence de pression de part et d'autre de chacune des membranes est réduite 1/N fois la différence de pression totale.

Si une se rompt, son air se vide dans celle qui l'enserre, et si celle-ci a un "trop plein" permettant d'évacuer de l'air par en dessous dans les suivantes, la pression est re-répartie raisonnablement.

Alternative : une membrane armée¶

On peut plutôt décider d'agir sur les autres paramètres. En enserrant la membrane dans un filet, on agit sur :

• $\frac{\text{sa surface}}{\text{son périmètre}}$ en la ramenant à sa valeur pour une maille du filet ;
• l'angle d'attache de la membrane, si l'on autorise qu'elle cesse d'être une surface développable et qu'elle "déborde au travers des mailles du filet".

Si on s'arrange pour fabriquer la membrane autour d'une trame, on la rend moins sensible à la propagation de déchirures.

Cycle de vie de la membrane et des autres matériaux¶

Durée de vie en tant que membrane de serre¶

La membrane sera, par la force des choses, un support de pousse d'algues. Lorsque le passage de la lumière est compromis, il faut soit la nettoyer, soit la changer.

Comme elle doit être biodégradable, je propose plutôt de la changer, en essayant de la fabriquer pour que les problèmes d'étanchéités dus à l'usure, au vieillissement, et à la biodégradation interviennent sur des temps légèrement plus longs que le recouvrement par les algues.

Un mode d'attache compatible avec un renouvellement régulier¶

• Si on change une membrane entière d'un coup, en en tendant une par dessus la/les précédentes : des "poupées" (objet dur d'un côté ficelé par l'autre) comme pour une bâche de camping, dont la ficelle est reliée à la partie immergée de la membrane contenant le sol
• Si on vise une membrane renouvelée en permanence à partir d'un de ses bords : des rouleaux qui peuvent tourner au fur et à mesure de l'allongement de la membrane comme sur ce petit dessin en coupe : °/o\° $~~~~$ Les ° représentent des portions de rouleaux liées ensemble par un genre de grand U non représenté, qui est tenu au sol, les barres obliques et le soulignement représentent la membrane, et le o est un rouleau qui est à l'extérieur de la membrane mais qui ne peut pas monter sous sa tension car il est plus large que l'espace entre les °. Cette attache est notamment compatible avec une membrane multicouche (voir "[...] Mécanique // Une membrane qui résiste [...] // Stratégie de réduction [...]") et avec une serre de forme "agglutinât de demi-cylindres".

Surcyclage de la membrane pour faire (tous ?) les autres matériaux¶

La membrane couverte d'algue peut servir à contenir la terre, en couches successives, dont les plus intérieures justement "retournent à la terre", lui apportant en plus la matière organique du dépôt d'algues.

On peut aussi s'en servir pour fabriquer des cordages en en tressant des lambeaux, ce type de réemploi/recyclage (surcyclage ou upcycling par anglicisme) est par ailleurs l'une des idées clés de la low-tech.

Stabilité et intégrité des structures en cas de tempête¶

Là, on a une des raisons qui me font penser que vivre sous l'eau est peut-être plus facile qu'à sa surface. En cas d'événement climatique majeur en surface, il est possible de descendre plus profondément pour profiter de l’atténuation exponentielle avec la profondeur de l'effet des vagues ; à voir bien sûr de combien il faut descendre pour rendre acceptable une tempête, et si cela est compatible avec rester en vie (voir "Et le vivant [...] // Vivre sous pression [...]"). Pour savoir à quelle profondeur il est nécessaire d'aller, il faut comprendre quelques éléments concernant les dynamiques océaniques (voir "Comprendre l'océan [...]") et analyser la stabilité de l'habitat. En appelant Ox l'axe du demi-cylindre (ou de celui du milieu pour la cas de l'agglutinât de demi-cylindres), Oy l'autre axe horizontal, et Oz l'axe vertical ascendant, quelques mouvements semblent anodins : les translations en bloc selon toutes les directions, la rotation en bloc autour de Oz, et les compressions-extensions selon Oy et Oz. Il faut maintenant étudier les autres.

Je propose pour cette étude le cadre global dans lequel le sol n'est pas d'un bloc mais est une suite de "bacs" (en demi-cylindres de membrane remplis de terre, comme proposé plus haut) dont la grande longueur est la largeur de la serre, chacun étant relié à :

• la membrane, par ses 4 coins, et un filet la retenant, aux cordes allant "en diagonale" sur une vue de dessus (donc reliant le bord droit d'un ba au bord gauche de son voisin, etc) ;
• un lest supplémentaire unique, par un Y de cordes, tous les Y se rejoignant par leur partie basse en un faisceau au sommet du lest ;
• aux cordes des bouées, sous le "ressort" par des jeux de cordes en Y similaire ;
• ses voisins, par de courtes cordes.

Par ailleurs, je parle de bouées au pluriel parce qu'il y a probablement moyen d'orienter la serre parallèlement aux vagues en choisissant bien comment elle est ancrée à la surface, ce qui réduirait grandement les contraintes mécaniques (voir "[...] Mécanique // Stabilité [...] // Orientation [...]").

Stabilité en rotation et courbure autour de Oy¶

Les bacs étant séparés, le sol n'a pas de résistance à la courbure autour de Oy, mais les attaches en Y font que le lest pèse préférentiellement sur les bacs les plus hauts et la bouée retient surtout les plus bas, ce qui ramène tous les bacs dans le plan horizontal.

Stabilité en rotation autour de Ox¶

Même logique que ci-dessus, mais ce ne sont plus les différents "troncs" des Y qui se chargent de répartir les efforts de manière stabilisante, mais les branches d'un même Y pour chaque bac.

Pour les grandes déviations et la déformation du "presque demi-cylindre" du toit de la serre sous la contrainte de la poussée d'Archimède, on peut probablement faire des calculs de stabilité en utilisant l'équation qui décrit le toit si on le suppose infiniment long. Elle fait intervenir des intégrales elliptiques de première et deuxième espèces, mais le mieux est probablement de faire des tests sur un modèle réduit...

Stabilité en compression/extension selon Ox¶

Les bacs étant séparés et légèrement éloignés, ils n'opposent pas de résistance à ce mouvement, et c'est la pression de l'air aux extrémités du demi-cylindre de la membrane de la serre qui se charge de maintenir les bacs écartés les uns des autres, tandis que les cordes les reliant les empêchent de s'éloigner les uns des autres.

Stabilité en torsion autour de Ox et courbure autour de Oz¶

Ces deux mouvements produisent une diminution du volume de la serre qui entraîne une réponse dirigée également par la pression de l'air contre la paroi de la serre. Il y a aussi une réaction des cordes "en diagonale" en ce qui concerne la torsion autour de Ox, et des cordes entre les bacs pour la courbure autour de Oz.

Résistance du double-conduit d'aération¶

Il faut prévoir des soupapes de vidange d'urgence des compartiments de $A$ si la pression interne est trop forte, elles peuvent viser dans un premier temps les compartiments inférieurs pour ré-emmagasiner l'énergie potentielle.

Avec cela $A$ et $D$ se retrouvent ensuite pareillement en difficulté si trop d'étages sont comprimés en même temps, empêchant la progression vers le bas de l'air des étages comprimés les plus hauts et menaçant de les faire éclater. Cela peut nécessiter des soupapes vers l'extérieur du conduit, ou, plus prosaïquement, un conduit de rechange.

$\rightarrow$ Concevoir un modèle de valve "soupape"

Orientation de la serre parallèlement aux vagues¶

Si on parvenait à orienter la serre parallèment aux vagues, cela réduirait beaucoup les déformations en forte courbure de la membrane.

On sait qu'un bateau à la dérive, sans vent fort, s'oriente parallèment aux vagues. S'il est ancré, au contraire, il s'oriente perpendiculairement à elles. Un article (en anglais) peut être utile : Preferential orientation of floaters drifting in water waves, il détaille l'orientation spontanée d'objets flottants dérivants et rigides (ce qui ne serait pas le cas d'un ensemble de bouées) en fonction de leur élongation et de leur flottabilité. L'analyse qui est proposée de la raison de ces orientations a l'air d'être une bonne base de travail !

S'accrocher fermement mais en souplesse à une interface fluide¶

En plus des questions de stabilité discutées ci-dessus, les vagues font osciller la bouée de haut en bas, et il ne faut pas qu'elle tire trop brutalement sur la membrane. On peut envisager un genre de ressort à rappel quasi constant à base de cordes "tordues sur elles-mêmes" (ressorts de torsion neutralisés deux par deux en sens contraires) faisant des plectonèmes qui se déroulent et se ré-enroulent au gré des mouvements verticaux de la bouée.

Et l'éthique, c'est important aussi non ?¶

C'est notamment pour ça que j'hésite à trop parler de ce projet tant que je ne crois pas sincèrement qu'il ne sera pas une brique de plus dans le mur contre lequel se jette notre civilisation, et que j'aime bien l'idée de choisir à qui ce document est diffusé dans un premier temps.

Sécurité des personnes¶

Il serait dommage de se mettre en danger par manque de réflexion, alors une fois qu'on sait que c'est possible de vivre sous l'eau dans des conditions "normales", si ça l'est, avant tout test il faut réfléchir à tout ce qui peut mal se passer, et tout annuler si on ne sait pas comment y faire face !

En la matière je trouve intéressant de réfléchir séparément à listes cachées, pour que les différentes manières de voir un même problème émergent, cela devrait faciliter sa résolution... Je fais ma liste de problèmes de mon côté !

Déjà évoqué plus haut, on a au moins :

• comment assurer la possibilité de faire des paliers de décompression si l'habitat est évacué ?
• que faire en cas de rupture du lien à la bouée ? (proposition d'essayer de trouver un protocole impliquant une stabilisation active)

Diffusion et communication¶

Si et seulement si le projet peut sembler sans plus de risques que les autres choses de la vie (traverser la route, prendre l'avion, manger des fraises des bois, se balader dans les hautes herbes,...), alors il peut être question d'en parler (à mon sens, mais en discutant on peut probablement me faire changer d'avis).

Mais une chose sur laquelle je pense que je ne changerai pas d'avis je pense, c'est qu'avant avant d'en parler hors du milieu gauchiste, il me paraît indispensable de réfléchir aux conséquences de la "libération sur le monde" d'une nouvelle technologie (surtout, par exemple, si on fait des tests avec du plastique de pétrole pour la membrane et qu'on a pas encore trouvé de moyen d'en faire une réellement biodégradable et biosourcée).

Et le vivant dans tout ça ? (Connaissances biologiques et médicales nécessaires)¶

Là ça devient très interdisciplinaire, je ne peux pas réfléchir grand chose sans risquer des erreurs de débutant, il va falloir que je lise beaucoup et que je demande de l'aide.

La respiration¶

Pour pouvoir respirer convenablement, il y a des critères sur les pressions partielles de différents gaz dans l'air inspiré, du type $P_{O_2} > P_{O_{2~min}}$ et $P_{CO_2} < P_{CO_{2~max}}$.

Il est probable que $P_{O_{2~min}}$ et $P_{CO_{2~max}}$ soient des fonctions du ratio $\frac{P_{CO_2}}{P_{O_2}}$, et qu'elles aient peut-être même d'autres paramètres.

$\rightarrow$ trouver de la documentation sur les pressions extrémales de $P_{CO_2}$ et $P_{O_2}$ qui permettent la respiration.

Je n'ai pas fait les recherches pour confirmer ce souvenir mais il me semble que c'est la question de l'asphyxie par trop fort taux de gaz carbonique qui est prédominante sur le manque de dioxygène.

Il y a aussi des questions relatives à la toxicité des gaz de l'atmosphère (voir "Et le vivant [...] // Vivre sous pression [...] // Toxicité [...]").

Vivre sous pression, une expérience déjà tentée (Jacques Rougerie et le commandant Coustaud)¶

Ça a l'air faisable/vivable du coup ! Au moins une cinquantaine de jours à quelques dizaines de mètres de profondeur.

Les problèmes classiques de la plongée (pour les humains) sont liés aux changement de profondeur, et à la toxicité des gaz de l'atmosphère.

$\rightarrow$ Jacques Rougerie et le commandant Coustaud soulignent-ils d'autres problèmes ? Y a-t-il eu d'autres tests que le leur ?

$\rightarrow$ Chercher si d'autres animaux qui habiteraient la serre (insectes, ...) sont susceptibles d'être plus sensible que nous à ces divers problèmes, et ce qu'il en est des plantes en plus des effets sur la photosynthèse étudiés ci-dessous (voir _"Et le vivant [...] // Photosynthèse [...]"_).

Les changements de profondeurs¶

Toujours utile à rappeler, si la pression extérieure à un corps humain (et c'est probablement commun à d'autres animaux) augmente et que l'on retient sa respiration poumons pleins, arrive un moment où l'on n'est plus capable d'expirer, la surpression interne bloque les voies aériennes. C'est mortellement dangereux, et évitable en n'essayant pas de retenir sa respiration.

Outre cela, il faut faire attention à monter suffisamment doucement pour que les gaz dissous dans le sang soient évacués par les poumons sans avoir l'occasion de faire des bulles dans le sang. Celles-ci sont potentiellement mortelles car elles rendent le pompage du sang par le cœur bien moins efficace, en augmentant considérablement la compressibilité du contenu du réseau sanguin.

La formation de ces bulles s'appelle un "accident de décompression", on s'en débarrasse uniquement en retrouvant une pression élevée, en replongeant, ce qui est déconseillé, ou dans un "caisson hyperbare", qui n'est pas low tech, et c'est dans tous les cas un accident grave, que l'on souhaite éviter.

En plongée avec bouteilles, on évite les accidents de décompression en faisant des "paliers de décompression". La formulation en paliers est pour le confort d'utilisation et on peut faire un déplacement vertical continu et très lent à la place. Toute la documentation existant sur les paliers de décompression permet probablement d'établie un protocole de montée sécurisé.

$\rightarrow$ Consulter la documentation et concevoir le protocole de montée, faire valider par des professionnel·es de la plongée.

$\rightarrow$ Chercher s'il existe des problèmes liés à la descente.

Toxicité des gaz de l'atmosphère¶

Le dioxygène¶

À une certaine pression partielle dans l'air respiré $P_{O_2,~max}$ (ou de manière équivalente, à une certaine concentration dans le sang), le stress oxydant dû à $O_2$ devient trop important et endommage l'organisme.

$\rightarrow$ Quelle est $P_{O_2,~max}$ ? Sur quelles durées peut-on survivre sans dommage persistant à une exposition à des pressions partielles en $O_{2~\text{(g)}}$ plus importantes ?

L'exposition à des valeurs différentes de $P_{O_2}$ change la concentration en globules rouges (hématies) du sang.

$\rightarrow$ Comment contrer le risque d'avoir une baisse du nombre d'hématies qui rende difficile de respirer l'air de la surface, comme l'air de haute montagne est difficile à respirer pour les habitant·es de plaines ? La pratique régulière de l'(a plongée en) apnée fait-elle l'affaire ? Alternativement, est-il possible de dimensionner la serre et sa population végétale pour avoir en permanence $\frac{P_{O_2}}{P_{tot}}$ inférieure à sa valeur en surface ?

Le diazote¶

L'ivresse des profondeurs, ou la narcose des profondeurs, est notamment due à une pression partielle en $N_{2~\text{(g)}}$ trop importante.

$\rightarrow$ Mêmes questions que pour le premier paragraphe du dioxygène.

Le dioxyde de carbone¶

$CO_2$ est capable de se lier à l'hémoglobine des hématies à la place de $O_2$, ce qui en entrave le transport.

$\rightarrow$ Comment se quantifie ce problème ? Y a-t-il d'autres mécanisme en jeu dans la toxicité du $CO_2$ ? (Peut-être liés à ce qui fait que les points de côté sont douloureux ?)

Autres gaz¶

$\rightarrow$ Étudier le cas des autres gaz de l'atmosphère.

$\rightarrow$ Chercher si les COV libérés par les plantes de manière tout à fait normale deviennent plus concentrés et donc dangereux si la pression extérieure augmente, puisqu'ils sont peut-être déjà faiblement toxiques (voir "Et le vivant [...] // Un milieu confiné // Une atmosphère confinée")

Photosynthèse : zone photique, surpression, saturation de l'air en vapeur d'eau...¶

$\rightarrow$ Ce serait bien de savoir si les plantes poussent, quand-même. Par rapport à la surface, moins de lumière, mais une pression partielle plus grande en dioxyde de carbone si on a une bonne circulation d'air avec l'extérieur : peut-être que ça se compense ? Autre particularité, un climat très stable car tempéré par l'océan, peut-être que ça perturbe le cycle de vie de certaines plantes...

La question de la turbidité de l'eau qui restreint la zone photique est peut être le 3ème élément le plus inquiétant à mes yeux concernant ce projet.

Le sol : laisser pousser la terre¶

Pour qu'un sol soit en bonne santé, il lui faut les êtres vivants que contient un sol en bonne santé (embarqués au début), et les bons apports de matière. Dans ce cas, son volume augmente, il y a de plus en plus de terre, et c'est là un des éléments clés pour que la serre soit autoréplicable.

Il me semble que pour que de la terre se forme, il faut laisser se décomposer des matières organiques (c'est prévu). Pour que les végétaux et leurs cortèges de symbiotes et allié·es en produisent, iels doivent avoir accès à du carbone (et de l'azote) atmosphérique (voir "[...] Échanges de matière [...] // Favoriser les échanges d'air avec l'extérieur") et à des matières minérales, pour en extraire des oligoéléments. Pour ce dernier point, on peut prendre [du sable / des cailloux] au fond de l'eau quand on passe près des côtes, mais cela apporte surtout de la silice...

$\rightarrow$ Peut- être que d'autres éléments manqueront, tant en terme de composition chimique que d'apport textural (notamment des histoires de "complexe argilo-humique", je ne vois pas où trouver de l'argile pour l'instant...), c'est à réfléchir !

Pour l'aspect composition chimique, il me semble que l'eau de mer contient tous les éléments (du tableau périodique) nécessaires aux plantes, par leur histoire évolutive et par l'arrivée dans la mer, à terme, de tout ce que l'eau dissout des roches émergées dont se "nourrissent" les plantes. On peut peut-être les en extraire, ou plutôt précipiter la majorité des ions chlorure, sodium, et magnésium ensemble pour les sortir de la solution, et garder le reste pour arroser les plantes sans les "brûler au sel".

$\rightarrow$ Recherche d'informations : Vérifier les éléments dont ont besoin les plantes, leurs proportions relatives. Les comparer à celles de l'eau de mer. Vérifier leur biodisponibilité pour les plantes sous forme ionique, directement ou par interaction avec des bactéries ou des champignons. Et leur écotoxicité. Évaluer ce qu'il faut enlever à l'eau de mer pour obtenir des proportions "utilisables", et ce qu'il manquerait encore, et les roches qui en contiendraient.

$\rightarrow$ Recherche de solutions low-tech : Essayer l'évaporation, voir si les proportions obtenues conviennent. Essayer si besoin d'ajuster avec de l'électrolyse lente (voir peut-être, pour lier ces recherches, les sections "Des avancées technologiques [...] // Hydro-électrométallurgie lente" et "Des avancées technologiques [...] // Fabriquer la membrane").

Un milieu confiné¶

Un biotope fermé¶

A priori, en haute mer, rien ne rentrera en ayant la capacité de s'adapter : c'est une expérience similaire à celle que les technophiles mènent en prévision de voyages extra-terrestres, il doit y avoir des infos sur leurs résultats ! "Biosphère II" est un projet là-dessus je crois... Il faut bien choisir ce qu'on met dedans au début, pour que ça garde une sorte d'équilibre, ou peut-être, au contraire, ne pas choisir et prendre le plus varié possible ?...

Il y a de plus des données sur la diversité génétique que doit avoir une population d'une espèce donnée pour ne pas s’appauvrir génétiquement, qui peuvent donner une taille minimale pour une serre ou un fréquence minimale d'échange avec d'autres serres ou la surface.

Un espace de vie restreint¶

Comme ci-dessus, les agences spatiales ont beaucoup de renseignements à nous fournir sur les problèmes physiques et psychiques qui peuvent arriver en vivant dans un milieu clos. Cet habitat a tout de même l'avantage sur les engins spatiaux et les sous-marins militaires de permettre des sorties en plongée, des sorties à la surface bien qu'elles soient logistiquement lourdes (voir "Ne pas se couper du monde // Sortir de sa bulle"), et des sorties pour aller voir d'autres personnes (voir "Ne pas se couper du monde // Vivre en réseau").

Une atmosphère confinée¶

J'ai entendu dire qu'on considérait "très polluées" les atmosphères confinées lorsqu'elles contiennent beaucoup de plantes. C'est peut-être dû à la méthode de détection qui compte tous les COVs (Composés Organiques Volatiles) de manière équivalente, alors que certains sont anodins... Il y a quelque chose à creuser dans la mesure où le relâchement de ces COVs a été sélectionné lors de l’évolution, et (ouï dire, à nouveau) qu'il y a des interprétation de leur sélection comme "permettant de repousser les prédateurs" (dont nous ? Personnellement je supporte mal la proximité de pieds de tomate).

Comprendre l'océan, un minimum (Connaissances océanographiques nécessaires)¶

La houle et sa prégnance à différentes profondeurs¶

J'ai déjà invoqué 2 fois l'atténuation exponentielle avec la profondeur des paramètres de la houle (variation de pression, déplacement des éléments du fluide), il va bien falloir que je retrouve l'article à partir duquel a été fait le cours que j'ai reçu à ce sujet, pour :

• voir si je n'avance pas n'importe quoi parce que je me souviens mal ;
• savoir s'il y a des prérequis pour que cette conclusion soit valide (grande profondeur d'eau, pas de crêtes qui écument, ...)
• connaître le paramètre de l'exponentielle et de quoi il dépend : s'il est de l'ordre du kilomètre l'effet recherché n'est pas atteint...

C'est un des "pieds d'argile" de mon "colosse" : si on ne peut pas échapper aux tempêtes en vivant sous l'eau, personnellement je passe mon tour et je n'essaie pas !

Les tempêtes¶

Avoir une idée de l'amplitude des vagues, de leur longueur d'onde, de leur forme, et de la variabilité de tous ces paramètres pendant une tempête est absolument nécessaire pour savoir à quoi l'on s'expose.

Les courants océaniques¶

Dans un contexte où l'on se laisse dériver et où le seul moyen d'agir sur sa position est de changer de profondeur, connaître les courants en fonction de la profondeur à laquelle on se trouve est nécessaire, pour ne pas se perdre ou aller s'écraser n'importe où...

Ne pas se couper du monde¶

L'objectif n'est pas de vivre en autarcie, et au delà de savoir si ce serait souhaitable, cela poserait de nombreux problèmes humains et logistiques que l'on peut s'épargner en gardant un lien avec le reste du monde.

Sortir de sa bulle¶

Un simple espace sans sol devient un puits d'accès à l’extérieur, par lequel on peut sortir pour nager. Attention à penser à expirer si l'on monte au dessus du niveau de la serre ! (voir le premier paragraphe de "Et le vivant [...] // Vivre sous pression [...] // Les changement de profondeur")

Si l'on veut rejoindre l'air libre, il faut que les conditions soient clémentes, on peut donc commencer par amener la serre près de la surface, lentement pour ne pas risquer d'accident de décompression, jusqu'à une profondeur où il n'est pas nécessaire de faire de paliers de décompression pour finir la remontée (voir la suite de "Et le vivant [...] // Vivre sous pression [...] // Les changement de profondeur"). Ensuite, on peut émerger soit à la nage soit en se servant d'un genre de cloche de plongée, une petite bulle lestée jusqu'à l'isostasie avec l'eau, très similaire au dessin de la Figure 3 mais dont le lest n'a pas besoin d'être de la terre. Attention à nouveau à penser à expirer. [On peut/il faut] renouveler l'air des cloches en les faisant émerger, soit à la surface, soit dans le puits d'accès d'une serre.

$\rightarrow$ Il faut penser la cloche de plongée pour lui permettre de monter la hauteur restante sans perdre d'air, et en se donnant les moyens de la redescendre ensuite sans trop d'efforts, en suivant les réflexions sur les changements de profondeur de la serre (voir "[...] Mécanique // Stabiliser le volume d'air intérieur // [...] ballast en contrepoint").

Une première phase ancrée¶

Proche d'un village côtier, avec une embarcation permettant de s'y rendre arrimée en surface. Il faut choisir un emplacement où les tempêtes ne sont pas trop violentes et nombreuses, car il est plus difficile de leur échapper près des côtes. Il y a aussi des questions concernant la législation.

Cela durerait jusqu'à avoir un réseau de plusieurs serres dont les habitant·es voudraient tenter ensemble l'expérience de la haute mer.

Vivre en réseau¶

Une fois les serres lâchées à la dérive, il faut trouver un moyen sécurisé de se rendre de l'une à l'autre.

Proposition : des cordes reliant les serres, le long desquelles on se tire en étant dans une des cloches de plongée.

$\rightarrow$ Il faut réfléchir à un moyen d'éviter que les serres entrent en collision entre elles, puisqu'elles sont retenues proches les unes des autres.

Des avancées technologiques qui seraient utiles¶

Ce n'est pas là dessus que je prévois de travailler dans l'instant parce que ce qui précède me paraît plus urgent, sauf la membrane, mais elle m'effraie...

Chimie verte en "haute" pression¶

En descendant un compartiment au bout d'une corde, on peut l'amener à des pressions qui me semblent hautes (mais pas au sens de l'industrie). Mais il faut déjà 730m pour les 74bars du dioxyde de carbone supercritique, ça fait lourd de corde et on ne trouve pas une telle profondeur partout... Mais il doit y avoir plein de trucs rigolo à concevoir avec des dispositifs baromorphes pour ne mélanger certaines chose qu'à des pressions données, et ainsi de suite !

Fabriquer la membrane¶

Pour l'instant j'ai quelques pistes pour assurer que la membrane soit biodégradable et que la serre soit autosuffisante en matériaux et autoréplicable : qu'elle soit biosourcée paraît un incontournable, avec des polymères végétaux, de champignons, ou bactériens (je refuse l'emploi de polymères d'origine animale par rapport à mon éthique personnelle). Pour l'instant, plus encore que les biofilms comme les "mères" de boissons fermentées type kombucha, la cellulose me semble prometteuse. Le celluloïd des anciennes pellicules photographiques, et les fenêtres un peu troubles de certaines enveloppes à fenêtres sont essentiellement à base de cellulose...

C'est un gros morceau, un des "pieds d'argile" de mon "colosse", mais je ne me sens pas capable de commencer des recherches par quelque chose d'aussi effrayant, qui me semble trop gros pour moi parce que trop loin de ma formation initiale... Alors je le garde pour plus tard, et si ça ne marche pas au moins j'aurai appris des choses sur la recherche en faisant d'autres choses avant ça !

Peut-être que le paragraphe précédent pourra apporter un peu d'aide ? (voir "Chimie verte en "haute" pression")

Par ailleurs j'ai vu qu'il y a beaucoup de personnes qui travaillent la cellulose, notamment sous forme de microcellulose, nanocellulose,... mais de source bactérienne, alors à moins de réussir à nourrir les bactéries avec les plantes c'est pas gagné, et il faut probablement les préserver des interférences du reste du vivant, si elles sont très spécifiques et fragiles.

Et dans ces personnes (non je n'ai pas noté mes sources, je m'en souviendrai la prochaine fois...) il y en a qui font des membranes microporeuses, ça aussi ce serait pratique pour avoir plus d'eau douce, ou pour enlever le sel de l'eau en le précipitant pour avoir de l'eau chargée en autres minéraux pour les fournir aux plantes. En même temps, il m'a semblé entendre que "étanche" voulait toujours dire "jusqu'à une certaine pression", donc toute membrane serait microporeuses si on pousse assez fort l'eau contre elle ?...

Une autre piste à creuser est celle des polyhydroxyalcanoates (PHA), produits par certaines bacteries en cas de déficit en azote (par exemple nourries seulement avec du sucre). Ces polymères sont très similaires aux pétroplastiques en terme de manipulabilité, mais se pose la question, en plus de la survie des bacteries et du "désazotage" de leur alimentation, celle de la biodégradabilité dans le milieu marin de ce matériau.

Hydro-électrométallurgie lente¶

Pour l'instant chaque fois que j'ai entendu parler d'hydrométallurgie, ou surtout d'électrométallurgie, il était question de procédés très dépensiers en énergie, pour pouvoir traiter de grandes quantités rapidement. Mais si on veut juste quelques grammes en un mois, par exemple pour renouveler un panneau solaire tous les 10ans, ou je ne sais quel appareil qui nous semblerait utile et indispensable, peut-être que de nouvelles possibilités s'ouvrent ?...