La créativité dont font preuve les animaux, les plantes et les ordinateurs pour utiliser chaque goutte d’eau lorsque la température augmente.
Ce n’est un secret pour personne que le réchauffement climatique est à nos portes. Nous connaissons des conditions de plus en plus extrêmes, avec des périodes de sécheresse plus longues, des saisons des pluies plus courtes mais plus orageuses et une augmentation des inondations. À l’Université de Tel-Aviv, les chercheurs surveillent les animaux et les plantes qui vivent et prospèrent dans des conditions extrêmes, apprennent les mécanismes uniques qu’ils ont mis au point et développent des moyens qui nous aideront, nous et même nos appareils électroniques, à survivre à la chaleur intense.
Étudiez les façons de faire des coléoptères
Bat-El Pinchasik, de l’École de génie mécanique de l’Université de Tel Aviv, a été fascinée par la façon créative dont les coléoptères et les lézards utilisent l’eau qui les entoure, et aujourd’hui elle développe des systèmes biomimétiques qui imitent les solutions des animaux du désert au problème d’eau. « Les insectes et les lézards qui vivent dans des régions qui n’ont pas beaucoup d’accès à l’eau doivent la puiser à d’autres sources, par exemple dans l’air et dans le brouillard du matin « , explique-t-elle. « Parfois, quand les températures sont plus basses, quand il y a plus de vent et d’humidité dans l’air, l’air se condense sur leur corps. L’évolution a fait d’eux des « surfaces intelligentes » qui transportent spontanément l’eau qui a été recueillie directement dans leur bouche. »
Le lézard à cornes du Texas, par exemple, a des tranchées tridimensionnelles sur le dos qui lui servent d’autoroute personnelle. Le corps du dendroctone du désert du Namib est principalement hydrophobe (hydrofuge, repousse l’eau), mais il est également parsemé de protubérances micrométriques hydrophiles qui concentrent des gouttelettes d’eau à des endroits précis et les roulent directement dans la bouche du coléoptère.
« Notre objectif est de définir les règles qui rendent ce genre de mécanismes efficaces, de développer des matériaux intelligents semblables à ceux des coléoptères et d’utiliser des technologies d’impression 3D avancées pour construire des systèmes qui peuvent changer des vies dans des régions où l’eau est inaccessible, explique Bat-El Pinchasik.
Il s’avère qu’il y a beaucoup d’endroits dans le monde où l’accès à l’eau est un problème, et aussi étrange que cela puisse paraître, il ne s’agit pas seulement de pays situés dans les déserts.
« Même en Europe, qui est très riche en eau, il y a des endroits où il n’y a pas de systèmes qui transportent l’eau d’un endroit à l’autre « , explique-t-elle : « L’un des problèmes est que la plupart des systèmes actuels ne sont pas basés sur des matériaux intelligents et que les quantités qu’ils parviennent à collecter à la fois sont faibles. C’est ce que nous voulons améliorer. La construction de points locaux de collecte de l’eau et l’efficacité à faible coût seront très rentables. »
Sauvegardez chaque goutte. Des lézards à cornes du Texas.
Passage à l’équipe de nuit
Vous pensez que les animaux sont créatifs ? Vous n’allez pas croire à quel point les plantes ont appris à endurer et à survivre à des climats extrêmes. Nir Sade, de la School of Plant Science and Food Security de la George S. Wise Faculty, étudie comment les plantes sauvages font face à l’augmentation de la sécheresse et de la chaleur. Il cherche et isole les traits et les mécanismes de résilience qu’elles développent et contribuent à les introduire, par le génie génétique et l’hybridation, dans les cultures habituées à une vie humide et luxueuse, qui sont maintenant incapables de suivre les changements des conditions.
« Les plantes ont plusieurs façons de faire face au réchauffement de la planète et aux conditions extrêmes qu’il entraîne « , explique Nir Sade. « Le premier est évolutif, dans lequel différentes plantes ont modifié leur processus de photosynthèse (un processus dans lequel la plante absorbe le dioxyde de carbone et la lumière, les transformant en énergie et émettant de l’oxygène en retour). Certains ont appris à rationaliser le processus même dans des conditions de chaleur élevée et de sécheresse.
Le maïs, par exemple, a appris à concentrer le dioxyde de carbone qu’il absorbe dans des cellules spécifiques et uniques dans ses feuilles, au lieu de la feuille entière, ce qui a essentiellement pour effet d' »enrichir » le dioxyde de carbone pour maintenir l’efficacité du processus. D’autres ont développé un mécanisme plus extrême et sont passés en mode nuit. Le cactus, par exemple, absorbe le dioxyde de carbone la nuit au lieu du jour, lorsque la température et la perte d’eau ne sont pas aussi élevées, et conserve le processus de fixation pendant la journée. C’est comme ça qu’ils arrivent à survivre. «
Passer en mode nuit, c’est ce que fait le cactus dans le désert.
Et il y a aussi d’autres stratégies : « Certaines plantes ne veulent pas faire face aux conditions qui les menacent et préfèrent y échapper. Ils ont adopté la devise : vivre vite, mourir vite. C’est-à-dire qu’ils accélèrent leur cycle de vie « , souligne le Dr Sadeh. « C’est une stratégie particulièrement adaptée aux conditions extrêmes comme le climat méditerranéen, mais elle a un coût : la quantité produite par la plante peut être moindre. »
Certaines plantes préfèrent « détourner le regard » jusqu’à ce que la tempête passe, ce qui signifie éviter les conditions extrêmes, avec l’aide de la rétention d’eau dans la feuille.
« Les plantes qui utilisent le mécanisme d’évitement réduisent la perte d’eau des feuilles en fermant les stomates (cellules uniques responsables de l’expulsion d’eau de dioxyde de carbone) et/ou en réduisant la surface du feuillage (réduisant ainsi la surface à partir de laquelle l’eau se perd). Elles investissent aussi dans l’efficacité du transfert de l’eau, des racines jusqu’aux feuilles, en approfondissant et en élargissant les racines. »
Les plus dures ont développé une tolérance aux conditions extrêmes. « Il s’agit d’un groupe de plantes qui, malgré l’assèchement de la terre, ont appris à s’adapter biochimiquement, à créer des molécules et à synthétiser des protéines qui les protègent des effets nocifs « , ajoute le Dr Sade : « Comme la plupart des prévisions ne prévoient pas d’amélioration des changements climatiques extrêmes que connaît le monde, de nombreuses ressources sont maintenant investies par des entreprises commerciales, par l’intermédiaire d’investissements gouvernementaux et de laboratoires universitaires, pour comprendre la base moléculaire et génétique de la réaction des plantes aux conditions extrêmes.
Être résistant. A droite : arbustes de tomate génétiquement modifiés qui sont irrigués avec de l’eau salée, à côté des arbustes de tomate ordinaires.
Qu’est-ce qu’un ordinateur portable et un cheval ont en commun ?
La flore et la faune ne sont pas les seules qui ont besoin d’eau pour baisser en température et se rafraîchir. Vous avez déjà laissé votre téléphone cellulaire au soleil, pour constater plus tard qu’il ne fonctionne pas ? Sans refroidissement suffisant, c’est ce qui arrive à tous les composants électroniques. De nos jours, les systèmes de refroidissement sont installés dans des ordinateurs qui font passer un liquide de refroidissement directement sur la puce de l’ordinateur, par des tuyaux de quelques millimètres de diamètre seulement.
Herman Haustein, de la Faculté d’ingénierie Iby et Aladar Fleischman, étudie les mécanismes de refroidissement qui sont aussi minces qu’une mèche de cheveux. Il s’agit d’une étude révolutionnaire pour les systèmes de construction d’aujourd’hui et de demain.
« A ces dimensions minuscules, des phénomènes qui sont généralement ignorés dans des systèmes comme la plomberie domestique sont centraux et doivent être pris en compte pour caractériser le débit « , explique Ido Laufer, ingénieur au laboratoire du Dr Haustein. « La nécessité de notre recherche est à l’avant-garde de l’industrie de la haute technologie.
Par exemple, aujourd’hui, l’un des facteurs qui limitent l’industrie électronique est la densité des composants qui nécessitent une alimentation électrique. D’une part, nous voulons installer autant de composants que possible dans le moins d’espace possible et, d’autre part, nous voulons trouver des moyens de les refroidir efficacement « , poursuit-il. « Pour refroidir les composants, nous avons besoin d’un flux d’air froid qui élimine la chaleur des systèmes de l’ordre du micron (un cheveu a un diamètre de 100 à 50 microns). Nos recherches contribuent à la conception de systèmes électroniques complexes tels que les ordinateurs, les systèmes de défense et les dispositifs médicaux. »
Les capacités de l’équipement du laboratoire du Dr Hausstein sont uniques, c’est pourquoi il est utilisé par des chercheurs de nombreuses disciplines différentes, de l’étude des chauves-souris à la découverte de nouveaux matériaux. Un domaine populaire est la biologie. « C’est parce que chaque organisme dépend de l’écoulement des liquides pour son approvisionnement alimentaire et pour l’élimination des déchets, grâce à des tubes de taille similaire « , révèle Ido Laufer. « Dans les journées chaudes que nous connaissons actuellement, tout l’équilibre des températures et le maintien de la chaleur corporelle dépendent de l’écoulement des liquides dans notre corps.
L’eau que nous buvons devrait atteindre les cellules par les vaisseaux sanguins, les fluides corporels devraient atteindre les glandes sudoripares et de là atteindre la peau pour nous refroidir, et plus encore. Les équations que nous développons ne dépendent pas d’un domaine d’étude spécifique, mais fournissent une solution mathématique et physique, de sorte qu’elles peuvent être utilisées dans la recherche biologique ainsi que dans d’autres disciplines ».
La chercheuse Rona Eckert, de l’École de zoologie, utilise l’équipement unique du laboratoire dans le cadre d’une étude sur la conservation de la chaleur dans le corps des papillons de nuit.
https://english.tau.ac.il/news/extreme_heat
https://en-engineering.tau.ac.il/School-of-Mechanical-Engineering/main
