Quelques chefs d’oeuvres de l’ingénérie (2)

Cette semaine, je vais mettre 3 innovations, créées en agriculture par des agronomes et des ingénieurs, et qui font que maintenant, il est possible de nourir une population de 6 milliards d’êtres humains adéquatement, tout en produisant des biocarburants et en utilisant des terres pour la production de nourriture plus “luxueuse”, comme l’alcool et les produits issus des animaux.

Non, les plans alimentaires mondiaux ne sont pas parfaits et de nombreux enjeux les attendent, mais je crois que la profession des spécialistes de l’agroalimentaire sont les gens qui ont permis au plus grand nombre de gens d’aller vivre en milieu urbain, tout en étant les gens qui ont contribué à sauver la vie du plus grand nombre d’humains de l’histoire. L’alimentation plus riche dont nous jouissons est ce qui nous éloigne des disettes, prévient les famines et améliore notre état de santé, nous rendant plus résistants aux épidémies. L’époque de la peste est loin derrière, même s’il reste encore beaucoup de travail à faire.

L’irrigation

Les cercles que vous voyez sont des champs d’irrigation à pivot central, méthode d’irrigation très populaire en Alberta, et là où les ressources d’eau sont limitées ou difficiles à atteindre et à partager. Une tour centrale est reliée à une série de tuyaux remplis d’eau, attachés à des roues qui permettent aux tuyaux de bouger et de former un parcour circulaire. Sur cette série de tuyaux se trouvent des arrosoirs, qui permettent d’irriguer le champ et de produire de plus grandes quantités de nourriture.

À la base, l’irrigation n’est pas une invention nouvelle. Malgré tout, elle est devenue plus accessible et plus utilisée au cour du XXe siècle. Mais l’eau a toujours été d’une importance capitale à l’agriculture, et la possibilité d’approvisionner les champs en eau est ce qui a favorisé l’éruption de l’agriculture vers 3000 et 4000 av. J.-C. dans les régions du Croissant Fertile (Iran et Irak) et en Amérique du Sud.

Maintenant, l’irrigation a connu de grandes révolutions. On tente de trouver des moyens d’utiliser le plus efficacement possible notre eau, car l’agriculture est un des plus grands consommateurs de cette ressource qui devient de plus en plus limitée à certains endroits du monde. Des techniques comme l’”irrigation par périodes” (Surge irrigation) , les plans de gestion des eaux, ainsi que l’emploi d’irrigation de précisions (les arrosoirs et l’irrigation “goutte à goutte”) ont commencé à atteindre les réseaux du monde développé, mais beaucoup de travaux dans le Sud se font pour réussir à apporter de l’eau aux communautés agricoles de façon efficace et à faible coût.

L’alcool

L’alcool est apparue il y a environ 9000 ans, en Chine et en Mésopotamie. Ironiquement, plusieurs millénaires plus tard, le courant bouddhiste s’est propagé des Indes jusqu’en Chine, et plus tard encore, la religion musulmane est née dans le bassin de la Mésopotamie. Plusieurs interprétations de ces mouvements prohibaient l’alcool et le prohibent encore.

L’alcool que nous buvons est issu de la fermentation du sucre contenu dans un liquide, sous l’effet de levures. Biologiquement, c’est un mécanisme de défense des levures, car l’alcool tue les bactéries. C’est pourquoi l’alcool à 40% ou plus est utilisé pour stériliser ou nettoyer les plaies.

Les levures ne peuvent produire qu’environ 15% de volume d’alcool dans un liquide. Passé ce point, les levures elles-mêmes sont intoxiquées par l’acool d’éthyl contenu dans le breuvage. Pour obtenir des boissons plus alcoolisées, on a recour à la distillation.

Le XXe siècle a connu l’arrivée à grande échelle d’alcool de meilleure qualité, produite à une échelle industrielle et mieux contrôlée. Malgré tout, il y a eu plusieurs égarements, comme ce fut le cas pour les cidres fabriqués au Québec dans les années ‘70. Le cidre industriel a été retiré du marché, parce que les contrôles de qualité insuffisants rendaient le breuvage dangereux pour la santé. Il pouvait rendre aveugle ou causer des probèmes d’estomac.

La rotation des cultures

Les moines ont trouvé, à l’époque médiévale, des manières d’augmenter les rendements agricoles de l’époque. Il faut comprendre qu’à l’époque, 90% des gens travaillent à se nourir et nourir le 10% qui ne travaille pas dans l’industrie de la nourriture en Europe. La majorité des gens sont des paysans, des fermiers, qui arrivent difficilement à payer la dîme, le seigneur et leur famille. Les années où la récolte se fait plus maigre, le tout est encore plus difficile. De nombreux monastères ont donc expérimenté différentes manières de produire plus de nourriture avec un territoire fini. La rotation des cultures était une bonne façon, selon un plan triennal.

La rotation a lieu sur une surface définie. Le but est de créer un cycle de récoltes qui permettent de fournir au sol des nutriments, ainsi que de consommer des nutriments différents selon la plante qui pousse. Bien entendu, la rotation ne peut se pratiquer qu’avec des plantes annuelles. Mais ainsi, il fut possible de cultiver des sols pendant longtemps et de les garder fertiles sans utiliser de fertilisants artificiels et en employant très peu de fertilisants naturels (le fumier ou le compost, par example).

Par example, dans le champ A, des pommes de terre pousseront la première année; la deuxième année, le sol servira à faire pousser du blé et la troisième année, de l’orge. La quatrième année, le sol sera laissé en jachère et le cycle recommencera.

Les techniques de rotation des sols ont réussi à réduire la consommation énergétique de l’agriculture, à une époque où l’énergie entrant dans les fermes était extrêmement limitée. Elle a sauvé la vie et amélioré les conditions de vie de centaines de milliers d’européens.

Quelques chefs d’oeuvres de l’ingénérie (1)

Voilà! Je me suis dit que ce serait bien de démontrer ici quelques petits chefs d’oeuvre de l’humain qui ont été accomplis dans le passé. Certaines de ces oeuvres sont merveilleuses, d’autres destructrices. Je vais probablement ajouter quelques billets de ce genre, pour le plaisir, dans l’avenir. Ils seront sous le tag “génie”. Actuellement, je vais parler de l’ingénérie dans l’industrie militaire.

La bombe Tsar

Explosion nucléaire

Explosion nucléaire

Je voulais commencer mes présentations avec quelque chose qui a du punch. La bombe Tsar a été créée par les Russes et, selon les experts, sera l’explosion la plus puissante de l’histoire de l’humanité. En quelle année a-t-elle été faite? En 1961, il y a 47 ans. Le champignon atomique a eu 40 km de hauteur, et la puissance générée par l’explosion équivaut à 1.4% de la puissance du soleil. Veuillez noter que le soleil envoie cette énergie constamment; la bombe Tsar ne l’a fait que pendant 39 nanosecondes. Cela a suffi pour causer des dégâts jusqu’en Finlande (alors qu’elle était évidemment testée dans l’Arctique) et à créer un séisme de magnitude 5 à 5.25 sur l’échelle de Richter. L’onde sismique de l’explosion pouvait être mesurée jusqu’à son troisième tour de la Terre.

Les Russes avaient la réputation de ne pas avoir un équipement de précision en armement. Or, ils avaient la réputation aussi de faire un équipement pouvant faire des dégâts importants, et ce même s’il ne touchait pas sa cible initiale. La bombe Tsar était d’abord et avant tout un outil de propagande, capable de montrer ce que les Russes pouvaient faire avec leur armement.

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Le trébuchet

Je la laisse, pour mes potes de première année en génie des bioressources. Leur projet en mécanique des matériaux est de concevoir un trébuchet qui peut lancer un projectile le plus lourd possible, le plus loin possible et avec le plus de précision possible. Il fonctionnait surtout avec des forces sur un axe vertical, un point central et lançait des projectiles capables de détruire des murs fortifiés avec une grande précision. La différence du trébuchet sur les autres armes de siège est le système du levier; la position initiale de la rampe de lancement du projectile n’est pas le niveau du sol, comme une catapulte. Cela permet donc de mieux contrôler l’angle de lancer de la pierre ou du projectile et donc, d’avoir un résultat plus précis et à un meilleur angle (pouvant aller plus loin et plus haut, ce qui cause plus de dégâts).

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Le duct tape!

Cette invention a bel et bien été initialement créée dans un but militaire (en 1942). Comme le duct tape (ruban à conduits, en bon français) a été créé pour faire un ruban adhésif résistant à l’eau, il servait à isoler les munitions de l’humidité et à avoir un équipement militaire plus efficace. Avec le temps, les militaires l’utilisèrent pour d’autres utilisations, à cause de son pouvoir adhérant et de la force du matériau, relativement acceptable. Il permettait aussi de faire des réparations express, dans le feu de l’action.

Tous les étudiants savent que si quelque chose n’est pas réparable avec du duct tape, en général, cela veut dire que cette chose est bonne à jetter. Comme son pouvoir d’absorbtion de l’eau était son principal attribut, le duct tape a ensuite été repris en plomberie.

Depuis, le duct tape a connu des moments historiques. Il a notamment servi à sauver la vie des astronautes qui ont marché sur la Lune, leur permettant de réparer le filtre à dioxyde de carbone, qui avait connu des erreurs de conception. La réparation a été effectuée après le décollage, avec l’aide d’ingénieurs et de spécialistes qui dirigeaient les astronautes à partir de Houston. D’ailleurs, la navette d’Appollo 13 est reconnue comme un “échec réussi” en ingénérie, à cause des multiples objets sur la navette qui ont n’ont pas fonctionné comme prévu, et parce que malgré tout cela, la mission a quand même réussi l’objectif important de marcher sur la Lune.

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L’hypothèse de Gaïa

flickr, moonjazz

Source: flickr, moonjazz

Cette photo est intéressante, car elle montre les 4 composantes de la planète Terre. En avant, la géosphère (les sols); cachée plus loin, une rivière représente l’hydrosphère; les nuages et le ciel représentent l’atmosphère et les plantes, en plein centre de l’image, sont une interprétation de la biosphère.

L’hypothèse de Gaïa a cela de particulier qu’elle réunit ces composantes en une seule entité. De façon un peu complexe, je pourrais résumer cette hypothèse en une phrase: les composantes de la Terre composent un système complexe ayant pour but de garder un état d’homéosthase* ou homéorhésie*. À ce niveau, la Terre agirait un peu à la manière d’un organisme vivant, sans en être un (il lui manque plusieurs caractéristiques). Cette “entité” a donc été baptisée Gaïa (déesse grecque de la Terre), afin de lui donner un nom et une vocation plus poéthique. Elle tenterait de s’auto-réguler par de complexes procédés chimiques, biochimiques, physiques et biologiques. Notons que Gaïa est une hypothèse, mais que de plus en plus d’indices semblent prouver que dans plusieurs conditions, elle s’avère vraie (certaines études poussées ont aussi émis beaucoup de doutes face à l’hypothèse).

Un des facteurs importants et controversés dans l’hypothèse de Gaïa est la présence de la biosphère, comme l’un des facteurs importants de cette recherche de stabilité. James Lovelock, un scientifique indépendant ayant travaillé à plusieurs reprises comme consultant pour la NASA, est le principal auteur de l’hypothèse moderne de Gaïa, qui est née dans les années ‘60. Ridiculisée par la communauté scientifique environnementale, elle a commencé à être traitée avec beaucoup de sérieux vers la fin des années ‘80 et est maintenant un sujet qui a été l’élément de plusieurs colloques scientifiques très sérieux. L’importance de la biosphère serait, selon ce qui est avancé, que la Vie essaie de maintenir les conditions nécessaires à son existnce, et qu’elle tendrait donc à créer cet état d’homéorhésie ou d’homéosthase.

L’hypothèse de Gaïa est devenue, de nos jours, si globalement acceptée dans la communauté scientifique que l’un des segments d’ouverture de la Amsterdam Declaration on Global Change (2001) s’ouvrait ainsi:

The Earth System behaves as a single, self-regulating system comprised of physical, chemical, biological and human components.

Cette déclaration a été signée par 4 organismes de climatologie avec une réputation internationale. Dans cet appel, les organismes tentent aussi d’avertir la population quant à l’irrévocabilité des changements anthropogéniques (de source humaine) sur l’atmosphère et les autres composantes de la Terre.

Afin de prouver la validité du rôle de la biosphère dans les changements climatologiques, James Lovelock a créé, en 1981 et avec l’aide de collègues, le modèle de simulation Daisyworld. Cette simulation tenait compte d’une planète fictive avec des pâquerettes, et dont les radiations reçues par l’étoile autour de laquelle elle gravitait augmentaient avec le temps. La planète était composée de pâquerettes noires et de pâquerettes blanches, ce qui change l’albedo** de la géosphère, ainsi que plusieurs propriétés (le cycle de l’eau, la désertification et d’autres facteurs). Les résultats montraient que la Terre et les espèces en question (dans ce cas, les pâquerettes) évoluaient ensemble. Le modèle était stable, insensible aux conditions initiales (nombre de pâquerettes au départ) et résistait aux perturbations (changement soudain dans les radiations solaires). Voilà un graphique relativement simple d’une simulation de Daisyworld.

Ce que l’on voit de ce modèle, c’est qu’avec le changement dans la population de pâquerettes (qui reste relativement stable), la température ne change pas avec la luminosité solaire (ou très peu, passant entre 19 et 25 degrés Celsius). Si l’albedo de la Terre ne changeait pas et qu’il n’y avait que des terres stériles, la température serait passée de 4 à 65 degrés Celsius. On voit aussi qu’à une luminosité précise (vers 1.6), la vie cesse presque totalement de survivre et l’on constate une chutte drastique des pâquerettes. La vie est capable de soutenir des stress jusqu’à un point précis uniquement.

Daisyworld répondait aussi à une interrogation de Lovelock, qui a fait remarquer que dans l’histoire de la Terre comme “planète vivante” (ayant des êtres vivants complexes), la luminosité solaire a augmenté de 30% (facteur 1.3). Par contre, dans cette même période de temps, les températures ont toujours oscillé entre 11 et 16 degrés Celsius en moyenne. Malgré une augmentation drastique de la luminosité, cela a donc incombé très peu de changements sur Terre. Cet écart de température est similaire à celui du corps humain, dont la température moyenne varie entre 35 et 40 degrés (alors que la température de ses extrémités varie de 5 à 45 degrés).

*homéosthase: qui tend vers la stabilité

*homéorhésie: capacité à évoluer dans la même direction, malgré des périodes d’instabilité successives

**albedo: capacité d’une surface à absorber les rayons lumineux. Lorsque les rayons frappent le sol, une partie de ceux-ci sont réfléchis et l’autre partie est absorbée par la végétation et les organismes au sol. L’albedo est une propriété qui varie selon la couleur du sol, ses propriétés physiques et chimiques.