DifusO

Si l'on arrive à optimiser la consommation d'eau, on en aura alors plus à disposition.

Telle fut notre première réaction lorsque la question de l'eau nous a été posée. En abordant l'eau par sa gestion, nous souhaitons mettre en place un système permettant de consommer moins d'eau, pour un même usage, afin de pouvoir utiliser cette eau ailleurs.

 

L'irrigation : secteur le plus consommateur d'eau

En effet, l'eau est une ressource de première importance, et pourtant, selon les climats, elle est parfois très peu disponible. De plus, sa gestion est parfois assez hasardeuse, rarement optimisée.

C'est cette question qui nous a fait remarquer que l'irrigation est globalement le domaine où le plus d'eau est utilisée. Le secteur de l'agriculture représente environ 70 % du prélèvement d'eau, au niveau mondial. La plupart des pays en voie de développement utilisent  même 90 % de leur eau douce pour irriguer leurs terres.¹

Différents systèmes d'irrigation

Pour comprendre comment nous pourrions agir dans ce secteur, nous avons essayé de saisir la diversité des systèmes d'irrigation, et d'en décortiquer leurs avantages et leurs inconvénients.

On regroupe ces méthodes sous deux grands types, le premier étant les techniques de surface. On retrouve l'irrigation par aspersion, par ruissellement, par planches, par raies, etc. Pour ces systèmes, ils génèrent généralement des pertes importantes, par évaporation, ruissellement et drainage.

Le deuxième type d'irrigation reprend les micro-irrigations. Ces méthodes évitent un maximum le gaspillage en fournissant à la plante l'eau dont elle a besoin à petite dose, mais de façon continue. La méthode la plus connue est le goutte-à-goutte, hors sol ou enterré. On retrouve dans cette catégorie également les jarres enterrées, technique qui nous était jusqu'alors que nous avons souhaité explorer plus en détail.

Les réceptacles enterrés : diffuseurs en argile

Il s'agit ici d'un système d’irrigation low-tech qui permettrait de faire des économies en eau.  Le système est basé sur un phénomène physique facile à comprendre, la conductivité hydraulique. C’est-à-dire sur la porosité. Lorsqu’un matériau poreux entre en contact avec de l’eau, cette dernière s’infiltre et traverse la matière. La vitesse d’écoulement est liée est directement lié à la porosité du matériau. Il est donc possible de fabriquer un contenant avec un matériau poreux et d’en faire un diffuseur d’eau.

Les avantages de ce système sont nombreux : très haut rendement, économique, matériaux accessibles et naturels, irrigation stable, adaptée à la plante et au climat, moins de mauvaises herbes et un gain de temps en main d'œuvre.

Fixation d'un contexte

Par la mise en place de notre système, nous appliquons un principe à un contexte qui nous est familier, ce qui nous permet de l'explorer plus justement, et plus en profondeur. Si le système est mené à être appliqué à un autre contexte, notre exploration des possibles a déjà été effectuée, et une étude des moyens locaux pourra alors être réalisée sur le terrain afin d'établir une démarche cohérente.

Fixation d'un objectif : système autonome et accessible

Notre projet consiste alors à proposer une manière de réaliser le système, de façon accessible et qui reste autonome.

Production : impression céramique

La première question qui se pose est la question de la production des réceptacles en terre cuite et de leur forme. Alors que des initiatives telles que le les fab lab veulent donner à la population les outils pour créer, nous pensons que ces idées sont en alignement avec celles de notre proposition, et qu'utiliser le potentiels de ces outils coule de source. C'est pourquoi nous proposons de produire les pots d'argile à l'aide d'une impression céramique. Couplée à un script Grasshopper, cela permet de créer une forme idéale et une taille paramétrable de manière simple et accessible, ainsi qu'un processus répétable.
 

Optimisation : structure d'accueil

Un des inconvénients majeurs des jarres enterrées, est leur entretien. Les jarres doivent être remplacé environ une fois par an, si elles ne se sont pas brisées auparavant. Afin d'éviter un travail régulier de la terre, et de protéger l'objet, nous proposons un structure pérenne accueillant les jarres. À l'aide de l'impression numérique 3D, nous obtenons un maillage à la fois résistant et ouvert, ainsi que directement adapté à la forme et la taille du réceptacle en argile, puisque tous deux résultent du même script Grasshopper.

Automatisation : apport d'eau par gravité

Un autre inconvénient important consiste en la gestion et l'apport d'eau dans les jarres. Nous basant sur les systèmes de bucket/drum drip irrigation², nous proposons ici un moyen d'apporter de l'eau, simplement par gravité, directement dans les réceptacles, depuis un réservoir. Nous mettons alors au point des joints en T afin d'assurer l'étanchéité entre les tuyaux et les jarres. Ces pièces à imprimer en 3D sont également paramétrables, selon le diamètre de tuyau souhaité, ainsi que le trou du couvercle de la jarre.

¹http://www.spge.be/fr/l-eau-dans-le-monde.html?IDC=1300

²http://akvopedia.org/wiki/Bucket_/_Farm_kits_and_Drum_systems

EXPÉRIENCE ISOPROPANOL

Comment créer un nuage dans une bouteille ? 

Oui il existe une expérience qui permet de faire apparaître un nuage dans une bouteille, c'est fou. Mais au delà de son aspect "spectaculaire" cette expérience vise à comprendre les principes de la condensation d'un gaz par dépressurisation. Pour la réaliser on utilise de l'isopropanol, un alcool très volatil utilisé comme dissolvant et décapant dans l'industrie mais qui a de multiples applications, notamment pour des expériences de physique chimie. Si vous n'avez pas d'isopropanol cette expérience devrait fonctionner avec d'autres solvants comme le white spirit, l'essence térébenthine, l'alcool à brûler, l'acétone, etc. .

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Avertissement : l’isopropanol (comme la plupart des solvants) est inflammable et irritant, pour plus de sécurité il est préférable de mettre des gants, d'aérer la pièce et de s'éloigner de toute flamme et sources de forte chaleur.

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MATERIEL  - Une pompe à vélo - Bouteille en plastique de 5 L  - Isopropanol Créer un raccord pompe à vélo - bouteille  Si vous n'avez pas d'embout spécial pour raccorder la pompe à vélo à la bouteille de manière étanche : 1/ percer un trou dans le bouchon de la bouteille 2/ insérer le tuyaux de la pompe à vélo dans le trou 3/ créer un joint avec du mastique d'étanchéité ou de la colle chaude

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EXPÉRIENCE	Etape 1 Verser quelques millilitres l'isopropanol dans la bouteille.
	Etape 2 Imprégner les parois de la bouteille avec l'isopropanol.
	Etape 3 Fermer la bouteille et actionner la pompe à vélo. La bouteille gonfle légèrement.
	Etape 4 Une fois la bouteille bien gonflée dévisser rapidement le bouchon. Un nuage d'isopropanol se forme.
	Etape 5 Si on repompe le nuage se dissipe.

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Que s'est-il passé ? 

Etape 2
En remuant la bouteille on favorise l'évaporation de l'isopropanol, il se mélange à l'air dans la bouteille.

Etape 3
En pompant la pression des gaz augmente dans la bouteille ce qui fait monter la température.

Etape 4
En ouvrant la bouteille la pression chute brusquement ce qui fait baisser la température. Conséquence : l'isopropanol se condense sur place formant un nuage ; il passe à l'état liquide. 
La pression baisse pour se rééquilibrer avec la pression extérieure autour de la bouteille. Une partie des gaz s'échappent au moment de la dépressurisation.

Etape 5
Quand on repompe la pression augmente de nouveau, le nuage se dissipe, l'isopropanol passe de nouveau à l'état gazeux.

Conclusion : 

Dans cette expérience on a fait varier brutalement la pression du gaz pour provoquer sa condensation. 
La pression et la température sont liées : 
- si on augmente la pression la température augmente.
- si on diminue la pression la température diminue.
Autrement dit, si on refroidit suffisamment un gaz de manière rapide il se condense. 

Gestion de l'eau : État de la recherche

ABORDER LA PROBLÉMATIQUE DE L’EAU PAR SA GESTION

1. Gestion de l’eau

Et si on avait plus d’eau, tout simplement en consommant moins, tout en augmentant le confort ?

Notre objectif est d’aborder l’eau par sa gestion. Nous pensons pouvoir mettre en place des systèmes permettant de consommer moins d’eau pour un même usage, afin de pouvoir utiliser cette eau ailleurs.

L’eau est un besoin universel. Son usage est divisé en eaux domestiques (consommation, sanitaires, chauffage, lessives), eaux agricoles (irrigation, élevage) et eaux industrielles.

Environ 4 milliards de m³ d’eau sont consommés par an. Alors que la consommation d’eau domestique est fortement disproportionnée selon les pays (360 L par jour par habitant aux USA, 120 L en Belgique et moins de 25 L dans de nombreux pays africains), l’irrigation reste le secteur le plus consommateur d’eau au monde, alors que les terres agricoles sont en expansions continues.

C'est donc là que nous voulons intervenir.

2. Irrigation

Il existe deux grands types d’irrigation regroupant les techniques actuelles :

a) Les techniques de surface :
- par aspersion

- par ruissellement

- par planches

- par raies

- …

Les pertes de ce système sont très importantes, suites à plusieurs phénomènes :

- perte d'eau par évaporation
- perte d’eau par infiltration excessif entraînant un drainage

- peu de prise en compte du contexte climatique et des terres

Afin d’être efficaces, les techniques d’irrigation modernes génèrent un gaspillage d’eau conséquent.

b) Les techniques de micro-irrigation :

- goutte à goutte (hors sol ou enterré)

- jarres enterrées

Là où une technique d’arrosage par sprinklers a un rendement de 0,9 kg d’aliments pour 1 m³ d’eau, le goutte à goutte en fournit 1,4 kg, et les jarres enterrées 7 kg.

Afin de s’attarder plus en détail sur ces techniques, il est important de comprendre quels sont les besoins en eau d’une plante.

Les besoins en eau des végétaux est équivalent au volume d’eau dissipé par évapotranspiration. Cette évapotranspiration varie évidemment en fonction d’un certain nombre de paramètres tels que le climat, la saison, le type de végétal, l’avancement de la croissance…

Une formule simplifiée permet de définir les besoins en eau pour irriguer un certain type de plantes :

I = (0,33 . (1 + C)) . E_bac

avec I = les besoins en irrigation de la plante

        E_bac = le taux d’évapotranspiration mesuré dans un bac durant 24h

        C = le taux de recouvrement du sol par les plantes, de 0 (semi-recouvert) à 1 (recouvert)

Les où les techniques d’irrigation de surface vont fournir au sol une quantité d’eau bien trop importante sur une courte durée, une jarre enterrée permettra à la plante de prélever la quantité d’eau dont elle a besoin sur un longue durée.

C’est pourquoi nous avons décidé de s’attarder sur la question des jarres enterrées.

3. Les jarres enterrées

La technique est basée sur un système relativement simple de transpiration de l’eau à travers une matière poreuse. Des contenants sont enterrés et prennent le rôle de diffuseurs d’eau. Ces contentant sont généralement désignés sous le nom d’oyas ou de jarres enterrées.

Cette technique d’irrigation permet une autogestion des végétaux par rapport à leurs besoins en eau. Le système racinaire des plantes se développe autour des pot. Les matériaux utilisés comptent sur leur conductivité hydraulique (aptitude d’un milieux poreux a laisser passer un fluide sous l’effet d’un gradient de pression [m/s]) pour diffuser l’eau en limitant à la fois l’évaporation et l’infiltration. On peut par conséquent jouer sur la composition des matériaux en fonction du type de végétation ainsi que sur son stade de croissance.

AVANTAGES :

- rendement 7x supérieur à de l’arrosage classique

- économique

- matériaux accessibles et naturels

- irrigation stable

- irrigation adaptée à la plante

- irrigation adaptée au climat

- moins de mauvaises herbes

- gain de temps

INCONVÉNIENTS 

- pénibilité d’installation : nécessite de creuser à intervalle régulier

- durée de vie limitée : les pores se bouchent

- fragilité du matériau : risque des racines de briser la jarre

- faible visibilité du contentant baisse la gestion de son eau

COMPOSITION : 
 

Historiquement les jarres sont composée principalement d’argile, ce denier étant peu perméable il est conseillé de le mixer avec des matériaux plus perméables ou grossiers tels que :

-Sciure de bois

-Bouse d’herbivore

-sable

-morceaux de poteries brisées

Ces matériaux apportent de la porosité, soit par leur perméabilité, soit en créant des micro-pores en brûlant lors de la cuisson de l’argile.

CUISSON :

Les jarres sont cuites dans a des températures comprises entre +- 700/800 et 1000 degrés Celsius.

Exemple : Une jarre composée a 100 % d’argile atteint une porosité d’environ 18 % quand elle est cuite à 850 degrés.

TRAITEMENT DES SURFACES :

Les surfaces ne doivent en aucun cas être émaillées.

Il est possible de poncer légèrement la surface externe pour augmenter la conductivité hydraulique.

NOS EXPÉRIENCES :

Nous avons tout d’abord réalisé un prototype d’oya home-made avec deux pots de fleurs en argile assemblés et étanchéifiés à l’aide de silicone.

Afin de tester si la porosité du matériel laisse bel et bien passer l’eau, nous avons rempli le pot d’eau et observé la réaction du pot.

Petit à petit, on peut observer la surface prendre une couleur plus foncé. C’est l’argile qui se gorge d’eau.

Cependant, après quelques heures d’attentes, aucune eau liquide n’est observable à la surface de l’oya.

L’objet se trouvant à l’extérieur, exposé au soleil, nous pensons que si aucune eau n’est observée, c’est peut-être parce qu’elle s’évapore directement.

Nous réalisons alors à nouveau l’expérience, cette fois-ci à l’intérieur, et nous pouvons alors observer des gouttelettes se former à la surface du pot.

Une question se pose, si les gouttelettes ne sont pas en réalité de la condensation, mais l’argile étant à température de l’air ambiant et n’observant pas de condensation ailleurs dans la pièce, nous en déduisons que l’eau percole en effet sous forme liquide à travers le matériau.

 



L’oya home-made est ensuite placée dans un pot transparent de terre, afin d’essayer d’observer la progression de l’humidité de la terre.

Un pot identique est mis en place avec un système de goutte à goutte par distillation, ainsi qu’un autre sans irrigation afin d’avoir une base de comparaison.

Après de nombreuses heures, aucun changement n’est visuellement observable.

 
Nous pensons alors devoir réitérer l’expérience dans de meilleures conditions.

En coupant en deux un pot et en le collant aux bords, nous pourrons observer directement la progression du niveau de l’eau.

Nous pensons également que précédemment, sans plante, l’eau s’accumulait éventuellement dans la terre, sans s’échapper et empêchait alors l’argile de relâcher l’eau qu’il contient, c’est pourquoi nous plaçons alors une petite plante dans le pot.

Nous attendons pour l’instant le séchage du silicone avant de pouvoir lancer l’expérience.

Pour ces expérimentations, l’idéal serait de pouvoir faire des observations dans des circonstances réalistes, à long terme. Cependant, ne disposant que d’un délai très court, nous essayons de focaliser nos expériences pour pouvoir faire des déductions sur un court terme.

4. Nos améliorations

L’objectif de notre projet est alors de se baser sur le principe existant de jarres enterrées, et de lui apporter une plus value.

Plusieurs pistes s’ouvrent devant nous, que nous explorons actuellement pour nous décider sur savoir dans quelle direction développer de nouveaux prototypes.

Ces pistes ont pour objectif de remédier aux inconvénients du système d’oyas.

FLOTTEURS :

Une des problématiques des jarres enterrées est leur visibilité. Puisqu’elles sont enterrées, il est difficile de connaître facilement leur niveau d’eau, et donc quand les remplir.

L’idée est de mettre en place un flotteur à l’intérieur de l’oya qui en sortirait tout simplement afin d’indiquer le remplissage du contenant.

Il est possible de de gérer cela par un senseur connecté à un Arduino qui pourrait traduire l’information en indication mais nous pensons qu’il est possible d’atteindre un résultat identique avec des moyens bien plus accessibles.

VANNES :

Dans la continuité de la gestion de l’eau contenue dans les jarres, nous pensons qu’il pourrait être intéressant que les oyas puissent gérer par elles-mêmes leur apport en eau.

En effet, quand une jarre est vide, il faut pour le moment la remplir manuellement.

Une solution est de combiner le principe du flotteur à un système de vanne, permettant le contentant de rester toujours plein (exemple sur cette vidéo youtube)

Alors qu’un simple réservoir connecté à l’oya, le remplissant continuellement en eau par gravité semble être une solution évidente et efficace, un système de vanne pourrait permettre une certaine flexibilité.

En effet, certaines plantes n’ont pas forcément besoin d’un apport en eau continu. Afin d’optimiser leur croissance, certaines plantes ont besoin d’un cycle de sécheresse. En proposant un système flexible de vanne, de telles variations pourraient être obtenues, et de manière automatisée.

Cette automation pourrait évidemment être obtenue de manière assez simple grâce à un Arduino et des senseurs, mais nous pensons à nouveau qu’il est plus intéressant de développer un système plus low-tech.

TRAVAIL DU MATÉRIEL

La porosité des jarres est un paramètre important pour assurer le bon fonctionnement du système mis en place.

Nous pourrions nous pencher sur l’étude de la production de la matière argile et de ses additifs, mais il est également possible d’explorer d’autres matériaux. En effet d’autres matériaux sont peut-être (ou non) propices au même usage. Cela pourrait éventuellement répondre aux problèmes de la fragilité du matériau.

Cependant, l’argile fonctionnant très bien ainsi, étant naturel, accessible et dégradable, nous pensons difficile d’innover dans ce domaine.

IMPRESSION 3D

L’impression 3D est également une piste ouverte qui pourrait régler, avec une étude sur la forme, des problèmes liés à l’installation et la fragilité, tout en optimisant le rendement grâce à une surface plus ou moins libre.

Toutefois, ces techniques ne sont pas accessibles partout (!même pas au FabLab ULB!), ce qui est plutôt contraire à nos objectifs.