Tutoriel WATERMAZE

Watermaze

Résumé

Ce projet s’articule autour de la récupération de l’eau de rosée destinée à des individus nomades, tels que les randonneurs. Les propriétés de l’eau de rosée font d’elle une eau potable et minéralisée. Elle présente en plus l’avantage de fonctionner durant la nuit, donc durant le cycle du sommeil du voyageur. L’environnement montagneux dans lequel progresse le voyageur est un second avantage, puisqu’en altitude, la différence de température durant le jour et la nuit est très importante et favorise ainsi la formation de la rosée. Ensuite, la problématique du randonneur nécessite que le prototype soit : Léger, facilement transportable, compact, facile à construire, bon marché et ne nécessite pas trop d’investissements physique. Nous nous sommes donc penchées sur la question des condenseurs radiatifs existants, qui collectent aisément l’eau de rosée, ainsi que le filet à nuage dont les mailles permettent un excellent drainage. C’est en essayant d’allier ces deux qualités que nous avons conçu le prototype. 

Le phénomène physique

La rosée est un phénomène physique se produisant principalement lors du passage nuit/jour. Celui-ci s’explique par le fait que la température baisse durant la nuit. L’air pouvant contenir de moins en moins d’eau, une fois arrivée à saturation, va relâcher l’excédent dans l’atmosphère. C’est ainsi qu’on retrouve des gouttes d’eau sur les surfaces à l’extérieure au petit matin. L’eau issue de la rosée est potable et chargée en minéraux. Ce qui en fait une eau intéressante à récolter puisqu’il ne faut plus se charger de la re-minéraliser après sa collecte.

Environnement

Le climat montagnard est un climat propre aux diverses régions de montagne, indépendamment de la zone climatique où elles se situent. Il se caractérise par des hivers froids et des étés frais et humides. Dans ce type de climat, la température diminue, les précipitations augmentent, la différence de température entre le jour et la nuit augmente, tout cela en fonction de l’altitude. Ce milieu est très contraignant pour l'être humain, car il est très difficile d'y construire des maisons et des routes. L'exposition et la vigueur du relief apportent aussi des nuances importantes. La pression atmosphérique et la densité de l'air diminuent avec l'altitude suivant une loi logarithmique, car l'air a tendance à se tasser au voisinage de la surface du globe. L'exposition des versants par rapport aux flux humides joue un rôle capital. La teneur en vapeur d'eau de l'air diminue rapidement avec l'altitude : à 3 000 m, l'humidité absolue est en moyenne trois fois plus faible qu'au niveau de la mer. Le point de rosée étant tributaire de la température de l'air, en haute montagne, l’humidité relative peut passer d'une valeur forte (plus de 90 %), en fin de nuit lorsque l'air est froid, à une valeur très faible (moins de 20 %), en milieu de journée lorsque la température est plus élevée.

Le nomadisme

Les randonneurs et alpinistes pratiquant le bivouac et les treks de plusieurs jours sont dépendants des points d’eau potables rencontrés sur leur chemin. Le marcheur doit s’assurer que son itinéraire lui assurera un renouvellement régulier de son eau, et même parfois porter un plus grand poids en eau si l’approvisionnement n’est pas assez récurrent. Des imprévus peuvent aussi précipiter le manque d’eau et on se retrouve vite dans une situation d’urgence voire dangereuse. Et s’il était possible d’oublier cette contrainte et d’atteindre une autonomie complète en randonnée ? On peut évaluer ce besoin à 1,5L journalier au minimum. Plus le marcheur portera de l’eau, plus le poids de son sac va augmenter, c’est une raison pour laquelle il préfère se contenter du minimum. Si un dispositif portatif lui permettait de récolter sa propre eau, indépendamment de toute installation humaine, qui se font plutôt rare en haute altitude, il faudrait que ce dispositif soit très léger et que son poids n’excède pas 500g pour y trouver un intérêt. Le climat montagneux est idéal pour le phénomène de rosée. En effet, l’écart des températures de jour et de nuit favorise ce phénomène ainsi que la haute teneur en humidité de l’air. Le phénomène de rosée s’effectuant à chaque cycle journalier, à la fin de la nuit. Cela coïncide avec le cycle du randonneur qui monte sa tente et reste au même endroit pendant la nuit. De plus, contrairement aux précipitations montagneuses, de caractère imprévisible, la rosée, qui apparaît lors d’un cycle est complètement fiable. 

Pour résumer, le dispositif doit être léger, compact, rapidement montable et démontable afin de ne pas se faire surprendre par le crépuscule, et doit pouvoir fournir 1L en moyenne durant une nuit.

Le projet

L’état de l’art des dispositifs qui récupèrent l’eau de rosée peut être résumé en deux systèmes distincts : les condenseurs radiatifs et les filets à nuage.  Les condenseurs radiatifs jouent sur le principe de paroi froide. Ceux-ci sont construits sur base de matériaux à forte émissivité infrarouge. Cela signifie que durant la nuit, les condenseurs émettent de la chaleur vers le ciel, entrainant ainsi le refroidissement du matériau. Puisque la rosée se dépose davantage sur les surfaces froides, le dépôt de gouttelettes d’eau est amélioré. Le système possède donc une récolte efficace. Tandis que les filets à nuage s’avèrent être simplement des sacs à patates tendues, que les épaisses couches de brouillard, chargées en eau, vont traverser et déposer l’eau sous forme liquide. Le drainage est particulièrement efficace puisque la maille très fine des filets permet aux gouttes de se rassembler facilement et de glisser le long des fils par gravité.

C’est en tentant d’allier ces deux systèmes que nous sommes parvenues au prototype suivant. Il est constitué d’une feuille de papier PVC dans laquelle des lignes sont découpées selon un schémas précis. Ces découpes permettent obtenir une surface pouvant être étendue afin d’arriver à un objet en 3 dimensions.  Il faut ensuite figer la forme des motifs préalablement grâce à la chaleur. Ceci permet d’atteindre les objectifs fixés : qu’il soit pliable, léger, facile à ranger et à utiliser.

Le prototype va se baser sur 3 principes physiques :

1) Aérodynamique

Appliquée à notre dispositif, il s’agit du renouvellement de l’air, grâce à la force du vent. Cet air, chargé en humidité, traverse le matériau où les gouttelettes vont pouvoir s’accrocher.

2) Collecte 

Ce paramètre est dépendant du phénomène de rosée. En effet, lorsque le point de rosée est atteint, l’air va rejeter son excès en humidité dans l’environnement. C’est ainsi que les gouttes se déposent sur le matériau aux endroits des parois froides. Plus la température du matériau est basse par rapport à l’air ambiant, plus d’eau de rosée apparaitra sur ses surfaces.

3) Drainage

La récupération de l’eau se produit via la technique appelée : « drainage ». On peut le considérer comme travail de la mobilité de l’eau à l’état liquide sur un matériau. Les fines gouttes, une fois accrochées à la surface, vont se rassembler afin d’atteindre une certaine dimension et donc un poids suffisant pour finir par tomber par gravité.

Aérodynamique - Collecte - Drainage

Sachant qu’il est possible de récupérer au minimum 0,75L d’eau par m2 et par nuit (en fonction du dispositif), nous avons pris ce chiffre pour constituer notre base de dimensionnement. Le prototype se dessine sous forme d’un entonnoir triangulaire à 3 faces. Puisque l’objectif est d’atteindre 1m2 de surface au total, cela signifiait que pour une base de 50cm, il aurait fallu 1,3m de hauteur. Ce qui n’est nettement pas possible pour un randonneur en terme de rangement. C’est pour cela que nous avons décidé de diviser l’entonnoir lui-même en 3 plus petits modules. La scission nous a permis d’obtenir un module de 45 cm de base pour une hauteur de 50 cm. 

Il suffit d’accrocher le dispositif à un arbre, sous lequel on vient fixer n’importe quelle gourde de 1L, et de laisser passer une nuit complète. Le prototype fonctionne uniquement pendant la nuit, en adéquation avec le quotidien d’un randonneur. Les gouttes issues du point de rosée viennent se déposer sur la maille et glissent le long de celle-ci, à l’aide du dessin particulier. Elles continuent leur chemin au long du fil principal jusqu’à l’intérieur de la bouteille.

 

Fabrication 

Le prototype est construit à partir d’une feuille PVC 200 µmètres d’épaisseur transformée, de cordes, 25 anneaux métalliques dont 1 avec une section de 20mm et le reste de section 12mm, une plaque de bois multiplex découpée 50x16cm de 3mm d’épaisseur et une paire d’aimants 1,5 cm de section. 

Au niveau de la production, la feuille de PVC est tailladée grâce à une machine de découpe vinyle (ex. Roland CAMM-1 GS-24) tandis que la pièce en bois est obtenue à l’aide d’une imprimante laser. Le temps de fabrication total approchera les 150 minutes. La découpe PVC durant 50 min  par feuille et le laser 5 min.

Le tout reste assez abordable puisqu’il faudra dépenser 17euros au total comprenant : 5,85 pour 3 feuilles PVC de 100x70cm + 3 euros plaque bois multiplex + 3 euros tous les anneaux métalliques + 5 euros paire d’aimants.

Le prototype ne demande pas d’entretien particulier. Il sera néanmoins nécessaire de bien suivre les instructions de rangement (ex. sens de l’enroulage) afin d’éviter de fragiliser les matériaux. 

Evaluation du Low-Tech

La rosée se dépose effectivement dessus, cependant nous n’arrivons pas encore à atteindre l’objectif des 1,5 L par nuit exigé. Deuxièmement, on remarque que la façon dont est découpée la feuille aide les gouttes à se rassembler, cependant cette technique ne permet pas encore aux gouttes de tomber. C’est surtout l’efficacité du système de drainage sur lequel il faut encore travailler. Ainsi, une étude plus profonde concernant la texture des motifs pourrait être entamée.

De plus, augmenter la surface de récupération permettrait de récolter davantage d’eau, par contre cela tendrait à rendre l’ensemble plus lourd et moins compact. Il s’agit là d’un véritable équilibre à trouver.

En terme de fabrication, il peut desservir l’environnement puisque le prototype est construit à partir de plastique qui est une matière polluante. Par contre, c’est une installation éphémère et autonome donc n’introduit pas de transformation dans son contexte.

Introspection personnelle

L’atelier Digital Fabrication Studio est particulier puisqu’on sort du schéma typique du projet d’architecture. Cela permet de déconstruire et remettre en question notre mécanismes et notre processus de travail. En effet, on a ici l’occasion d’aboutir nos projets et les tester concrètement. Grâce à cette échelle de travail, on a aussi un rapport aux expériences plus direct.

Le sujet de la récupération d’eau m’a intéressé car cela touche des problématiques sociales et de ressources planétaire. J’ai alors trouvé positif de mettre les connaissances en design d’élèves en architecture au service de cette cause.

Pendant quelques séances, nous nous somme rendu dans des laboratoires sur le campus de la Plaine afin de se familiariser avec la physique de l’eau. Cette étape a été le début de la rencontre entre nos connaissances et notre méthode d’architectes, et le monde de la recherche notamment en physique.

En se renseignant sur les dispositifs déjà existant, j’ai été surprise du peu et du manque de développement de systèmes existants pour un besoin aussi primaire. Ou bien on tombe tout de suite dans des système high tech et cher, pas du tout adapté aux personnes concernés par le manque d’eau potable.

Les dispositifs existants concernant la rosée, le sujet de mon groupe, sont assez peu développés et utilisés à grande échelle mais mériterai une plus grande attention, nous avons senti un fort potentiel en eux.

Lors de la semaine à Chevetogne, nous étions plus proche du cycle journalier qui est primordial pour notre projet. Quelques semaines plus tard, nous somme a un stade plus avancé et plus aboutit, avec tout une histoire et un vécu qui, je l’espère, se ressent dans notre projet.

Tout cela m’aura fait construire une méthode de travail nouvelle, plus axée sur les expérimentations. Je porterai sûrement un regard nouveau, peut-être plus concret, sur les projets d’architecture à venir.

RECHERCHE : motifs / textures / matériaux

Après avoir définis les éléments du contexte, nous avons tenté d’allier les deux systèmes de récupération d’eau de rosée. D’une part, en prenant l’avantage de la récolte efficace du condenseur radiatif et d’autre part, en répliquant l’efficacité du système de drainage des filets à nuage. Ainsi, nous sommes parvenues au prototype suivant.

Il est constitué d’une feuille de papier PVC dans laquelle des lignes sont découpées selon un schémas précis. Ces découpes permettent obtenir une surface pouvant être étendue afin d’arriver à un objet en 3 dimensions. Il faut ensuite figer la forme des motifs préalablement grâce à la chaleur. Ceci permet d’atteindre les objectifs fixés : qu’il soit pliable, léger, facile à ranger et à utiliser.

Plusieurs essais concernant le motif de découpe ont été fait :

La deuxième piste de réflexion s’est attardée sur les matériaux et la dimension des surfaces de drainage. C’est pour cela que nous avons effectué un ensemble de test en maintenant des échantillons au-dessus d’une bouilloire. Les observations se sont focalisées sur la taille des gouttes, leur position sur la structure et le trajet d’écoulement de celles-ci. 

Echantillon A : Polyéthylène extrudé rassemblée en certains points présentant une maille de 18x18mm.

Echantillon B : Matière synthétique rassemblée en certains points présentant une maille de 5x8mm. 

Echantillon C : Polyéthylène tissée d’une maille régulière carrée de 2x2mm.

Echantillon D :  Surface 100% polyesther

Résultats 

Les échantillons n’ont présenté aucun résultat concluant. 

L’échantillon A n’avait que des micro-gouttelettes aux intersection de maillage mais nous soupçonnons que la maille était beaucoup trop grande que pour être efficace.

L’échantillon B était à peine humide, ce n’était sans doute pas une matière adaptée à la récolte d’eau.

L’échantillon C avait des micro-gouttelettes à sa surface, uniquement repérable quand on frotte ses doigts sur la texture.

L’échantillon D présentait une surface embuée mais sans formation de gouttes.

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Watermaze

• Résumé

Ce projet s’articule autour de la récupération de l’eau de rosée destinée à des individus nomades, tels les randonneurs. Les propriétés de l’eau de rosée font d’elles une eau potable et déjà minéralisée. Elle présente en plus l’avantage de fonctionner durant la nuit, donc durant le cycle du sommeil du voyageur. L’environnement montagneux dans lequel progresse le voyageur est un second avantage, puisqu’en montagne la différence de température durant le jour et la nuit est très importante et donc favorisant ainsi la formation de la rosée. Ensuite, la problématique du randonneur nécessite que le prototype soit : Léger, facilement transportable, compact, facile à construire, bon marché et ne nécessite pas trop d’investissements physique. Nous nous sommes donc penchées sur la question des condenseurs radiatifs existants, qui collectent aisément l’eau de rosée, et le filet à nuage dont les mailles permettent un excellent drainage. C’est en essayant d’allier ces deux qualités que nous avons créer le prototype. 

• Contexte et problématique:

Pour quel contexte développez vous votre low tech ?

Environnement montagneux où la différence de température entre le jour et la nuit est plus importante.

Quel est votre problématique identifiée ?

Les randonneurs ne sont pas autonomes vis-à-vis de leur besoin en eau. A ce jour, il n’existe pas de système de récupération de l’eau pour un campeur.

Que proposez vous pour répondre à la problématique ?

Un système travaillant sur la récupération de l’eau de rosée, fonctionnant essentiellement la nuit.

• Design et fonctionnement de votre low tech

Quel design ? Pourquoi ?

Il s’agit d’une feuille en PVC transformée via des découpes précises, qui vont la déformer en un objet à 3 dimensions. Ceci afin de qu’il soit pliable, léger, facile à ranger et à utiliser.

Comment fonctionne votre low tech par quels mécanismes ?

Le prototype capture la rosée par 3 mécanismes :

1. Aérodynamique : Renouvellement constant de l’air par le vent, et donc régénération des particules d’eau sous forme de vapeur.
2. Collecte : Fait que la rosée se dépose effectivement sur la surface en question.
3. Drainage : Rassemblement des gouttes petit à petit qui va permettre, à un moment donné, à la goutte d’atteindre une dimension et un poids suffisant pour tomber par gravité.

Pour quelle utilisation ?

Boire uniquement.

• Fabrication

Quels processus ou techniques de fabrication doit on utiliser pour fabriquer votre low-tech ?

Découpe sur la machine vinyle, ou en tout cas une machine pouvant découper des feuilles PVC. Dans ce FabLab, il s’agit du modèle Roland CAMM-1 GS-24.

Découpe laser pour fabriquer les pièces en bois.

Quels matériaux ?

Feuille de pvc de 200 µmètres d’épaisseur.

Corde.

2 bouteilles d’eau en plastique d’1,5L.

Quel cout ?

1,95 euros feuille PVC de 100x70cm + 6 centimes pour la corde. 

Temps de fabrication ?

45 min découpe Roland + 5 min découpe des bouteilles en plastique + 5 min placer et accrocher la corde = 1h environ.

Entretien ?

Pas d’entretien particulier nécessaire.

Bien suivre les instructions de rangement : sens d’enroulage. 

Comment utilise-t-on votre système ?

Le prototype s’accroche à un arbre, il faut ensuite attendre toute une nuit que la rosée se dépose et puisse être récupérée au petit matin.

• Test et validation:

Etablir une liste de critères sur lesquels le bon fonctionnement de votre low-tech doit être évaluée ?

• La légèreté : pas plus de 100g.
• La facilité de montage : moins de 10min.
• Compact : doit rentrer dans le sac à dos.
• Le coût : pas plus de 5 euros.
• Qualité de l’eau : doit être déjà minéralisée.

• Evaluez votre low tech

Qu’est-ce qui marche et qu’est-ce qui ne marche pas ?

La rosée se dépose effectivement dessus, cependant nous n’arrivons pas encore à atteindre l’objectif des 1,5 L par nuit exigé. Deuxièmement, on remarque que la façon dont est découpée la feuille aide les gouttes à se rassembler, cependant cette technique ne permet pas encore aux gouttes de tomber.

Démontrer ce qui marche ?

Qu’est ce qui pourrait être amélioré ?

L’efficacité du système de drainage.

Quelles sont les perspectives d’utilisations et d’amélioration ?

• Augmenter la surface de récupération mais ceci tendrait à rendre l’ensemble plus lourd et moins compact.
• Changer la forme de la feuille
• Trouver un système qui étire naturellement la feuille 

Comment votre projet pourrait desservir le contexte et la problématique identifiée ?

En terme de fabrication, il peut desservir l’environnement puisque le prototype est construit à partir de plastique qui est une matière polluante. Par contre, c’est une installation éphémère et autonome donc n’introduit pas de changement dans son contexte.

Dispositif nomade de recolte de rosée

Introspection

Avant d’entamer notre voyage à Chevetogne, j’étais curieuse d’en apprendre plus sur ce lieu. Ma colocataire m’a parlé de cet endroit avec enthousiasme car elle s’y rend de temps en temps. J’ai découvert que c’était un parc de loisir, avec une atmosphère plutôt familiale et j’ai donc eu dû mal, dans un premier temps, à m’imaginer le lien avec notre projet et surtout comment allait se passer notre semaine.

Nous sommes arrivés lundi en voiture. Après s’être égaré à l’entrée principale, on nous indique le chemin de notre logement qui est en réalité assez excentré du domaine, au bord de la forêt.

Cette forêt fut un élément essentiel du séjour puisque nous y passions nos après-midi à la recherche de dispositifs de suivie. Le premier jour, nous avons eu une approche d’observation. On arpente le domaine, en se donnant comme premier objectif d’aller à « la mine d’or », mais même à l’aide du tractopelle, je n’ai pas trouvé d’or. En continuant notre route, nous avons vu un lac, des plaines de jeux, une air de barbecue et des chalets. Pendant notre présentation le soir même, on a réalisé que le

fils conducteur de l’eau nous a échappé, nous avons eu un regard trop global lors de notre expédition.

Les jours suivants en seront autrement et notre état d’esprit lors de nos sorties sera complètement dirigé par la recherche de l’eau potable. D’abord, nous avons récupéré l’eau par des moyens spontanés : c’est à dire récupérer le dépôt de rosé sur l’herbe, sur les feuilles, ou l’extraire de la mousse. Les derniers jours, nous avons conçu des dispositif plus élaborés, plus réfléchit : en utilisant des déchets comme récipient, en faisant un feux afin d’assainir l’eau et en créant un filtre avec des éléments de la vie quotidienne comme un tampon.

Au fur et à mesure des jours, nous avons progressivement acquis une aisance et évolués, à l’image de chasseurs-cueilleurs devenant sédentaires.

Tous les jours, la matinée était consacrée au projet du semestre. travaillant dessus depuis plusieurs semaines maintenant, nous avons déjà définit notre thème qui est la capture de la rosée.

Avec mon binôme, nous avions préparé un prototype préalablement construit afin de le tester à Chevetogne. Une fois sur place, nous avons créé de nouveaux prototypes afin de multiplier nos observations et conclusions. Les résultats ont tous été décevants mais pour des raisons différentes. Nous avons donc pu comparer ces multiples échecs entre eux et finalement en tirer des conclusions.

Nous avons finalement compris des mécanismes et des phénomènes qui manquaient à notre réflexion.

Nous sommes cependant encore loin d’obtenir des résultats satisfaisants. A présent, nous continuons nos expériences en sachant que nous avons pris plus d’aisance avec ce sujet et avec le sentiment d’avoir franchi une étape.

Cette semaine aura été bénéfique. Nous avons pu nous concentrer sur le projet par cette situation unique. Cela aurait été certainement moins immersif de venir à Flagey toute le semaine. Aussi, on verra probablement, dans les séances à venir, un atelier plus interactif et plus soudé grâce à la cohésion que nous avons développé à Chevetogne.

Prototype bînome - Capturer la rosée

Etude sur la capture de la rosée

Avant le départ à Chevetogne, nous avons conçu la "fleur de rosée".

Notre intuition nous a emener à diviser la capture de la rosée en trois étapes :

1. capter l'eau issue du phénomène de rosée
2. rassembler l'eau par ramification, ici l'embranchement des pailles
3. stocker l'eau

Le résulat n'étant pas concluant, nous avons abordé le sujet différement.

Après une discussion avec Denis, nous avons compris que capturer la rosée nécessitait 3 étapes :

1. l'aérodynamisme
2. la collecte
3. le drainage







Nous avons alors créé différents prototypes :







A. La pyramide inversée

L'idée derrière cette pyramide inversée est de recréer le systeme de l'entonoir. Les faces de la pyramide ont été fait en plastique afin de favoriser la condensation. La forme devrait se charger du drainage. Une fois l'eau récoltée au fond de la pyramide, une paille sert à l'amener dans un recipient de stockage.






Nous l'avons testé pendant la nuit à Chevetogne mais l'eau est restée sur les paroies en plastique.
Nous avons identifié le problème : l'étape du drainage ne fonctionnait pas.













B. La ruche

Les abeilles construisent des ruches afin de collecter le miel. Sur ce modèle biologique, nous nous sommes posé la question du biomimétisme : Est-ce que ce système pourrait marcher avec de l'eau ? 
Nous voulions ainsi optimiser et multiplier les surfaces pour favoriser la collecte. 


Nous avons assemblé des pailles entre elles pour former une ruche. Après experimentation, ont a constaté que des goutelettes étaient visiblent sur les paroies interieurs des pailles sans pour autant pouvoir les récolter.






Nous avons reconsidéré cette experience en supposant l'échelle trop petite. Nous avons donc augmenté l'échelle de la ruche en utilisant des goblets en plastique sans fond. Le résultat était différent : le diamètre des gouttes était plus conséquent et leur nombre beaucoup plsu important. En revanche, le problème de drainage persiste puisque nous n'avons pas pu récolter cette eau.

C. L'ananas

Toujours dans l'idée du biomimétisme, nous avons imité le systeme d'abrevage de l'ananas. Ses feuilles agissent comme collecteur et ramènent l'eau au coeur du fruit. 

Nous avons à nouveau multiplié les surfaces mais cette fois en cylindres concentriques. Tout comme l'ananas, notre système est composé de plusieurs couches qui se resserent. 

Les gouttes se sont formées mais le drainage reste inexistant.

D. La table à raclette

Nous avons ciblé le problème du drainage.

Il est frustrant de voir les gouttes sur nos prototypes sans pouvoir rassembler et recolter l'eau. 
Nous avons ajouté un paramètre manuel à la récolte de rosée. 
Dans un premier temps, afin d'illustrer le principe, nous avaons imaginé une surface propice eu dépot de rosée qui s'allie à un système venant racler la surface humide. 




Le materiau utilisé pour le premier prototype s'avère ne pas être un bon recolteur de rosée. Aussi, on pense que la taille n'est pas suffisante pour faire fonctionner le systeme. La prochaine étape est de concevoir une structure à plus grand échelle combinée à une surface plus performante.