Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019

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Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
Empa Quarterly
     RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019

                       Focus

   NUMÉRISATION

       BÂTIR NUMÉRIQUE – HABITER NUMÉRIQUE
STOCKER LE COURANT SOLAIRE ET Y TROUVER SON COMPTE
   DES DOUBLES VIRTUELS POUR MIEUX NOUS SOIGNER

                 www.empaquarterly.ch
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ ÉDITORIAL ]

                                           [ CONTENT ]
                                              [ Focus: NUMÉRISATION ]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              TOUT DÉPEND
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             DE L’EMBALLAGE

                                                                                                                                                                                                                 [ FOCUS ]                                                   [ THÈMES ]                     [ RUBRIQUES ]              Chère lectrice,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       cher lecteur
                                                                                                                                                                                                                 06 CONSTRUCTION                                             20 ÉNERGIE                     04 LA PHOTO
                                                                                                                                                                                                                 Première dans le                                            Stocker le courant solaire                                Nous sommes submergés d’in-
                                                                                                                                                                                                                 bâtiment: projet numérisé,                                  en batterie en y trouvant      18 BRIÈVEMENT              formations et, parallèlement,
                                                                                                                                                                                                                 construction robotisée.                                     son compte.                                               notre durée d’attention se
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            30 EN ROUTE                réduit, si bien que la première
                                                                                                                                                                                                                 11 INTERVIEW                                                24 ÉNERGIE                                                impression (généralement visuelle) l’emporte
                                                                                                                                                                                                                 «L’automatisation, c’est                                    Fraîcheur solaire pour                                    souvent sur le reste. Empa Quarterly table
                                                                                                                                                                                                                 une occasion magnifique»                                    une fabrique espagnole                                    certes avant tout sur ses «valeurs intérieures»,
                                                                                                                                                                                                                                                                             de plats préparés.                                        c’est-à-dire son contenu, mais nous avons aussi
                                                                                                                                                                                                                 12 MÉDECINE                                                                                                           décidé d’en repenser le graphisme. Le résultat
                                                                                                                                                                                                                 Nos doubles virtuels                                        27 PORTRAIT                                               est entre vos mains: un magazine consacré à la
                                                                                                                                                                                                                 vont changer la médecine.                                   Gustav Nyström                                            recherche servi par une maquette dans l’esprit
                                                                                                                                                                                                                                                                             mise sur le bois.                                         du temps. Nous espérons qu’il vous plaira.
                                                                                                                                                                                                                 15 MATÉRIAUX
                                                                                                                                                                                                                 Les propriétés des                                                                                                    De la clarté dans le propos, viser l’essentiel,
                                                                                                                                                                                                                 matières peuvent se                                                                                                   des images fortes, de la fraîcheur et de la
                                                                                                                                                                                                                 calculer à l’avance.                                                                                                  concision – c’est ainsi que nous souhaitons
             06                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        vous informer régulièrement des idées, pro-
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       jets et innovations qui font la vie de nos
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       laboratoires. On sait toutefois que le ver
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       doit plaire au poisson, pas au pêcheur. Nous
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       sommes donc très curieux de votre opinion.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Ce nouvel Empa Quarterly vous plaît-il? Ou
                                                                                                                                                                                                                 [ COUVERCLE ]                                                                    [ IMPRESSUM ]                        bien vous plaîrait mieux si…? N’hésitez pas
                                                                                                                                                                                                                                                                     Le numérique bouscule
                                                                                                                                                                                                                                                                     tous les domaines.           ÉDITEUR: Empa                        à nous le dire via redaktion@empa.ch!
                                                                                                                                                                                                                                                                     L’Empa aide notre
                                                                                                                                                                                                                                                                     société à s’y adapter.       Überlandstrasse 129
                                                                                                                                                                                                                                                                     Comment? Réponse
                                                                                                                                                                                                                                                                     dans ce cahier               8600 Dübendorf, Schweiz              A propos d’emballage: Vous receviez Empa
                                                                                                                                                                                                                                                                     Photo: istock/Getty
                                                                                                                                                                                                                                                                     Images                       www.empa.ch                          Quarterly sous plastique. Vous le recevrez dés­
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  RÉDACTION: Empa Kommunikation        ormais «au naturel», du moins dans notre pays
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  DIRECTION ARTISTIQUE:                (et bientôt, espérons-nous, ailleurs en Europe).
                                                                         Photos: Roman Keller, Empa, shutterstock, Markus Mallaun, Lufthansa

             20                                                     17                                                                                                                                                                                                                            PAUL AND CAT.                        Cela représente une économie de plastique
                                                                                                                                               Photo: istock/Getty Images, Graphique: NCCR Digital Fabrication

                                                                                                                                                                                                                                                                                                  www.paul-and-cat.com                 de 80 kg par annnée… une goutte d’eau,
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  CONTACT: Tel. +41 58 765 47 33       mais il faut bien commencer quelque part.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  empaquarterly@empa.ch
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  www.empaquarterly.ch                 Bien du plaisir avec notre nouveau magazine et
                                                                                                                                                                                                                                           PERFOR MANCE
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  PUBLICATION:                         nous nous réjouissons de votre feed-back!
                                                                                                                                                                                                                                                     neutral                                      publié quatre fois par an
                                                                                                                                                                                                                                                    Imprimé
                                                                                                                                                                                                                  No. 01-19-230187 – www.myclimate.org
                                                                                                                                                                                                                  © myclimate – The Climate Protection Partnership                                ISSN 2297-7406                       Votre MICHAEL HAGMANN
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Empa Quarterly (édition française)

             27                                           15
2   I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   3
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ LA PHOTO ]

                                                  LA PULSATION D’UNE MONTRE
                                                  Des spirales de silicium au revêtement
                                                  piézo­électrique et une électrode d’or. Objectif
                                                  de cette recherche: des montres mécaniques
                                                  de la précision d’une montre à quartz. L’éner-
                                                  gie tirée des oscillations des ressorts serviva
                                                  à compenser les écarts de fréquence des
                                                  montres mécaniques.

                                                  Pour plus d’informations:
                                                  www.empa.ch/web/s203
    Photo: Empa

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Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                               [ CONSTRUCTION ]

    UNE ICÔNE ARCHITECTURALE                                                                                             UN INTÉRIEUR STYLÉ
    La DFAB HOUSE trône sur                                                                                              La DFAB HOUSE hébergera temporaire-
    la ­troisième plateforme du                                                                                          ment quatre habitants qui disposeront
    bâtiment NEST.                                                                                                       d’un espace de vie commun.

CONSTRUIRE NUMÉRIQUEMENT,                                                                                               U
                                                                                                                                       n plafond en béton           à la fois intelligente et en grande partie   leurs partenaires industriels. NEST se
                                                                                                                                       délicat – coulé dans un      conçue et construite numériquement,          compose d’un noyau de bâtiment central
                                                                                                                                       coffrage imprimé en          ouvre ses portes pour la première fois.      auquel différents modules de construc-

VIVRE NUMÉRIQUEMENT
                                                                                                                                       3D – et un mur en béton                                                   tion – appelés unités – peuvent s’amar-
                                                                                                                                       courbé créé par un robot     DU LABORATOIRE À ­L’APPLICATION              rer. Pour la construction de l’unité DFAB
                                                                                                                        de construction caractérisent l’architec-   ARCHITECTURALE                               HOUSE, les chercheurs de huit chaires
                                                                                                                        ture du salon, dont l’esthétique rappelle   La «maison d’habitation» de trois étages     de l’ETH Zurich, dans le cadre du Pôle
                                                                                                                        de près celle des décors de tournage        est située au sommet de trois plates-        de recherche national (PRN) «Fabrica-
La DFAB HOUSE est inaugurée aujourd’hui dans le bâtiment NEST de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf. C’est la première    de l’artiste suisse HR Giger. Lorsqu’on     formes dans le NEST. Ce bâtiment             tion numérique», ont transféré pour
«maison» habitée au monde qui n’a pas seulement été planifiée numériquement, mais aussi – avec des robots et des        les appelle, les stores s’ouvrent comme     modulaire de recherche et d’innovation       la première fois, en collaboration avec
imprimantes 3D – construite en grande partie de manière numérique. Les technologies de construction utilisées ont été   par magie et la bouilloire prépare l’eau    de l’Empa et de l’Eawag permet aux           des partenaires industriels, plusieurs
développées par les chercheurs de l’ETH Zurich en collaboration avec des partenaires industriels.                       du thé. Ce qui ressemble à un film de       chercheurs de tester de nouvelles            nouvelles technologies numériques
                                                                                                                        science-fiction est une réalité à Düben-    technologies de construction et d’éner-      de construction du laboratoire à
Texte: Stephan Kälin, Photos: Roman Keller                                                                              dorf: aujourd’hui, la DFAB HOUSE,           gie dans des conditions réelles, avec        des applications réelles (voir fiche

                                                                                                                                                                                                                                                                      ▲
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Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                                                                                                                 [ CONSTRUCTION ]

                                                                                                                                                                                                        d’information sur la fabrication numé-         CONSTRUIRE EN BOIS

    DFAB HOUSE: FACTS & FIGURES
                                                                                                                                                                                                                                                       AVEC DES ROBOTS
                                                                                                                                                                                                        rique). L’objectif des technologies
                                                                                                                                                                                                                                                       permet quelques audaces
                                                                                                                                                                                                        numériques n’est pas seulement de              ­géométriques à la DFAB HOUSE.
    DFAB HOUSE est un démonstrateur collaboratif du Pôle de recherche national suisse (PRN) pour fabrication numérique                                                                                  rendre la planification et la construction
    (ETH Zurich) sur le bâtiment NEST de l’Empa et de l’Eawag:                                                                                                                                          plus efficaces, mais aussi plus durables.
                                                                                                                                                                                                        Par exemple, la dalle de plancher de la
    1. IN SITU FABRICATOR                                                                                    imprimées en 3D permettent à la plasticité                                                 DFAB HOUSE, planifiée numériquement,
    In situ Fabricator est un robot de construction                                                          du béton de créer un élément de construction                                               est optimisée statiquement et structurel-
    mobile contextualisé pour la fabrication                                                                 de forme libre et hautement optimisé avec                                                  lement de telle sorte que des quantités
    d’éléments de construction directement sur les           6                                               des structures ornementales complexes qui                                                  considérables de matériau peuvent être
    chantiers de construction. Son système intégré                                                           créent une riche expérience architecturale.                                                économisées par rapport à une dalle
    de détection et de calcul est développé pour                                                             Superficie: 78 m2                                                                          de béton classique. Ces technologies
    permettre des procédures de repositionnement                                                             Max. Piétement luge: ~4 m                                                                  ouvrent également de nouvelles possibi­
    autonomes, la localisation de l’effecteur final                                                          Poids de la dalle intelligente: 15,7t                                                      lités de conception. Par exemple, les
    et l’adaptation des données de fabrication en
                                                             5                                               (réduction d’environ 65% par rapport                                                       deux étages supérieurs résidentiels sont
    fonction du comportement imprévu des maté-                                                               à la dalle standard)                                                                       caractérisés par des cadres en bois, qui
    riaux et des tolérances de fabrication – sans                                                            Montage sur site: 4 jours                                                                  ont été fabriqués à l’aide de deux robots
    avoir besoin de dispositifs de mesure externes.                                                                                                                                                     de construction et disposés selon des
    Jours passés sur le chantier: 22                          4                                              5. SPATIAL TIMBER ASSEMBLIES                                                               géométries complexes. «Le potentiel
    Temps total de construction: 125 heures                                                                  Un procédé de fabrication robotisé innovant                                                architectural des technologies numé-
                                                                                                             qui utilise le système de robot double du                                                  riques du bâtiment est immense.
    2. MESH MOULD
                                                              3                                              laboratoire de fabrication robotisée (RFL)                                                 Malheureusement, ces technologies
    Mesh Mould combine coffrage et renfort en un                                                             de l’ETH Zurich pour préfabriquer des modules                                              sont encore peu utilisées sur les chantiers
    seul système de construction fabriqué par                                                                à ossature en bois pour les étages supérieurs                                              de construction. Avec la DFAB HOUSE,
    robot. En tant que tel, le robot In situ Fabricator       2                                              de la DFAB HOUSE. En utilisant les robots,                                                 nous pouvons tester de nouvelles
    construit une structure de maille 3D qui sert à                                                          le bois peut être coupé, tenu et positionné                                                technologies en collaboration avec
    la fois de coffrage et de renforcement structurel.                                                       sans référence dans l’espace, permettant                                                   l’industrie et accélérer ainsi le passage
    Un mortier de ciment spécialement développé                                                              des géométries nouvelles et complexes.                                                     de la recherche à la pratique», explique
    est ensuite coulé dans la structure en treillis                                                          Précision du placement de la poutre en                                                     Matthias Kohler, professeur à l’ETH en
    et retiré à la truelle à la main, ce qui permet                                                          bois lorsque quatre émetteurs ou plus                                                      architecture et en fabrication numérique.
    d’obtenir la forme unique du mur porteur.                                                                suivent le robot dans le RFL: moins de 1 mm
    Longueur du mur: 12 m
                                                             1                                               Poids maximum des poutres en bois
    Hauteur du mur: 3 m                                                                                      assemblées par le robot: 55kg
                                                                                                                                                                                                        «Le potentiel architec­
    Nombre total de nœuds de soudure: 22 300                                                                 Nombre de poutres dans la DFAB HOUSE: 487                                                  tural des technologies
                                                          Volume total de béton par meneau                   Nombre de modules: 6                                                                       ­numériques du bâtiment
    3. SMART DYNAMIC CASTING                              (moyenne): 23 litres                               Temps d’installation sur site: 12 heures                                                    est considérable»
    Smart Dynamic Casting a permis la production          Temps nécessaire pour former un meneau:
    de 15 meneaux en béton armé sur mesure.               4 heures                                           6. LIGHTWEIGHT TRANSLUCENT FAÇADE
    Chaque meneau a été fabriqué par coffrage                                                                Les granules d’aérogel sont insérés et stabilisés                                          UNE MAISON INTELLIGENTE                       numérisée), qui sont basées sur la          ­ ’électronique domestique, mais aussi
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  d
    glissant à commande numérique, par lequel             4. SMART SLAB                                      entre des panneaux de membrane spéciale-                                                   Dans environ deux mois, les premiers          plate-forme digitalSTROM indépendante       en termes de gestion de l’énergie:
    le béton autocompactant est introduit dans un         Smart Slab présente une nouvelle génération        ment développés par un nouveau procédé. Le                                                 résidents emménageront dans la DFAB           de tout fabricant. Il s’agit notamment      les modules photovoltaïques sur le toit
    coffrage flexible qui façonne le béton au fur et      d’un processus de construction numérique           résultat est un système de façade léger, mince                                             HOUSE. Ce sont des invités académiques        d’une protection anti-effraction intelli-   fournissent en moyenne une fois et
    à mesure qu’il durcit. Cette technique permet         radicalement optimisé, de la conception à la       et doublement courbé, avec des propriétés de                                               de l’Empa et de l’Eawag. Dans la DFAB         gente à plusieurs niveaux, d’options        demie plus d’électricité que l’unité
                                                                                                                                                                 Graphique: NCCR Digital Fabrication,

    à chaque meneau d’être fabriqué individuelle-         fabrication. Il utilise l’impression 3D au sable   super-isolation qui permet à la lumière d’entrer                                           HOUSE, ils vivront dans une maison            automatisées de protection contre           elle-même en consommera. Un système
    ment dans la géométrie la mieux adaptée aux           pour automatiser et optimiser le processus         dans le bâtiment à travers l’ensemble du mur.                                              intelligente. Un consortium d’entreprises     l’éblouissement et d’ombrage, ainsi         de commande intelligent coordonne
    exigences de portance et à sa position exacte.        le plus exigeant en main-d’œuvre dans la           Epaisseur de la façade: 80-120 mm                                                          dirigé par digitalSTROM AG a installé les     que de la dernière génération d’appa-       toutes les consommations et veille à ce
    Nombre de meneaux en béton armé                       construction en béton: la fabrication du           Pourcentage d’énergie économisée:                                                          premières solutions pour la maison            reils ménagers intelligents en réseau.      qu’il n’y ait pas de pics de charge. Deux
    installés: 15                                         coffrage. Les 295 pièces de coffrage uniques       Valeur U 0,165                                                                             intelligente dans la DFAB HOUSE (voir         Cependant, la DFAB HOUSE est intelli-       idées de démarrage, accompagnées
                                                                                                                                                                                                        fiche d’information sur l’habitation          gente non seulement en termes               de chercheurs de l’Empa et de

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        ▲
8   I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                                                         # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I       9
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          [ INTERVIEW ]

                                                                      l’Eawag, permettent d’économiser de
                                                                      l’énergie supplémentaire: D’une part,
                                                                      la chaleur des eaux usées, qui serait
                                                                                                                                                                                                                    «SI NOUS NE SAISISSONS PAS CETTE OCCASION,
                                                                      autrement perdue, est récupérée directe-
                                                                      ment dans les bacs de douche par l’inter-                                                                                                                D’AUTRES LE FERONT.»
                                                                      médiaire d’échangeurs de chaleur et,                                                                                                                                Gian-Luca Bona, directeur de l’Empa, sur les chances et les risques du numérique –
                                                                      d’autre part, l’eau chaude s’écoule des                                                                                                                          et sur la manière dont un institut de recherche sur les matériaux doit orienter son avenir.
                                                                      tuyaux vers la chaudière lorsqu’elle n’est
                                                                      pas utilisée au lieu de refroidir dans                                                                                                                                                           Interview: Oliver Schneider
                                                                      les tuyaux. Cette méthode permet non
                                                                      seulement d’économiser de l’énergie et                                                                                                     Quel est le projet informatique de                                                          Le numérique et l’automatisation
                                                                      de l’eau, mais aussi de réduire le risque                                                                                                  ­l’Empa qui vous enthousiasme le plus?                                                      sont riches de promesses mais soulèvent
                                                                      de formation de bactéries dans les                                                                                                          Difficile de répondre, nous poursuivons                                                    aussi bien des questions: chômage,
                                                                      conduites.                                                                                                                                 tant des projets passionnants! Cela va                                                     perte des identités professionnelles…
                                                                                                                                                                                                                  des nanotechnologies, où nous étudions                                                     Qu’en pensez-vous?
                                                                      LA RECHERCHE ET L’INDUSTRIE                                                                                                                 les effets de quelques atomes interagis-                                                   L’automatisation est une énorme
                                                                      APPRENNENT L’UNE DE L’AUTRE                                                                                                                 sant dans un matériau, jusqu’à des                                                         opportunité. Si nous ne la saisissons pas,
                                                                      La sixième unité de recherche et d’inno-                                                                                                    projets de gestion numérique de l’échelle                                                  d’autres le feront et nous marginaliseront.
                                                                      vation du NEST est un bon exemple de la                                                                                                     du démonstrateur Energy Hub.                                                               Je suis bien conscient qu’un maçon, par
                                                                                                                                                                                                                                                                                                             exemple, puisse percevoir la technique
                                                                                                                                                                                                                 En quoi consiste ce projet?                                                                 comme une menace. Le profil de son
                                                                      «C’est par un dia­
                                                                                                                                                                                                                 Il s’agit de modéliser un groupe de                                                         métier va évoluer. Tous les métiers
                                                                      logue constructif entre                                                                                                                    maisons ou un quartier entier sur le                                                        classiques se font plus exigeants avec le
                                                                      ­scientifiques et profes­                                                                                                                  plan énergétique. Nous recueillons des                                                      développement des techniques. Ça ne
                                                                       sionnels que cette vision                                                                                                                 données puis évaluons quelles mesures                                                       doit pas être vu comme négatif. A 60 ans,
                                                                       est devenue réalité.»                                                                                                                     d’assainissement énergétique devraient                                                      le travailleur du bâtiment aura peut-être
                                                                                                                                                                                                                 être prises en premier. Ce projet est                                                       vécu trois reconversions, mais il quittera
                                                                                                                                                                                                                 étroitement lié à la Stratégie énergétique                                                  son travail avec un dos en bon état!
                                                                      manière dont la coopération entre les                                                                                                      2050 de la Confédération qui vise une
                                                                      chercheurs et l’industrie peut produire                                                                                                    utilisation optimale des énergies renouve-                                                  Comment l’Empa compte-il contribuer
                                          DIVISION DU TRAVAIL         des solutions d’avenir. «Dans la réalisation                                                                                               lables et une réduction drastique des                                                       activement à l’avenir numérique de
                                          La DFAB HOUSE est           d’un projet de construction comme la                                                                                                       émissions de CO2.                            qui en assureront l’entretien. Le chantier     la Suisse?
                                          l’œuvre conjointe
                                          ­d’humains et de robots –   DFAB HOUSE, les méthodes de construc-                                                                                                                                                   entièrement automatisé est pour demain?        Nous sommes un institut de recherche
                                           sur le chantier et lors    tion traditionnelles répondent aux                                                                                                         Le nom Empa n’évoque pas immédiate-          Nous voulons d’abord montrer comment           sur les matériaux, notre présence dans
                                           de la préfabrication.
                                                                      nouveaux concepts du monde numé-                                                                                                           ment les technologies numériques.            chaque étape, du croquis au produit fini,      l’univers numérique consiste avant tout
                                                                      rique. Le chemin qui mène de la planche                                                                                                    Quelle en est l’importance pour l’Empa?      entretien et exploitation compris, peut être   à mettre notre savoir-faire à disposition
                                                                      à dessin numérique au bâtiment réel a                                                                                                      Une importance sans cesse croissante.        assurée par des techniques numériques.         des intéressés sur différentes plateformes.
                                                                      posé des défis aux scientifiques et aux                                                                                                    L’Empa est aujourd’hui un institut de        Nous y travaillons avec différents centres     Nous appelons cela «Open Innovation».
                                                                                                                     Photos:: NCCR Digital Fabrication, Daniel Sanz Pont, Roman Keller,

                                                                      experts. Grâce à un dialogue constructif,                                                                                                  recherche sur les matériaux et les           de recherches, en premier lieu l’EPF de        Nous ne cessons par ailleurs de nous
                                                                      l’utopie est devenu pratiquement                                                                                                           technologies; les TI reposent toutes sur     Zurich. Chemin faisant, nous découvrons        développer et investissons entre autres
                                                                      réalisable et nous espérons qu’elle sera                                                                                                   l’utilisation de matériaux. Ainsi, lorsque   non seulement le potentiel des robots          dans le Big Data, l’intelligence artifi-
                                                                      bientôt utilisée dans l’industrie de la                                                                                                    nous poursuivons des recherches sur          dans la construction, mais également           cielle et le Machine Learning. Dans ces
                                                                      construction», explique Gian-Luca Bona,                                                                                                    des matériaux, nous participons au           les difficultés que leur intégration peut      domaines, il est crucial de collaborer
                                                                      directeur de l’Empa.                      ■                                                                                               développement des techniques numé-           soulever. Comment, par exemple,                au niveau international. C’est un potentiel
                                                                                                                                                                                                                 riques et cherchons d’entrée de jeu à        coordonner les différents métiers? Le          qu’il s’agit d’exploiter. S’isoler n’est pas
                                                                                                                                                                                                                 appliquer ces techniques à la recherche.     domaine est en pleine ébullition et nous       une solution. 
                                                                                                                                                                                          Photo: Nicolas Zonvi

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          ■

                                                                                                                                                                                                                                                              souhaitons y apporter nos connaissances
                                                                      Pour plus d’informations:                                                                                                                  On voit à l’Empa des robots engagés dans     en matériaux pour ­préparer le bâtiment        Reproduit avec l’aimable autorisation de
                                                                      nest.empa.ch/dfabhouse                                                                                                                     la construction de maisons et des drones     de demain, construction et entretien.          www.netzwoche.ch.

10 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                                                                          # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   11
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                                                                                 [ MÉDECINE ]

 ENVOIE
                                                                                                                                                                                                                                                         le traitement des douleurs chroniques
                                                                                                                                                                                                                                                         et du diabète. «Un double in silico
                                                                                                                                                                                                                                                         nous permet d’étudier les patients
                                                                                                                                                                                                                                                         individuels de manière plus précise»,

    TON
                                                                                                                                                                                                                                                         explique Thijs Defraeye du départe-
                                                                                                                                                                                                                                                         ment «Biomimetic Membranes and
                                                                                                                                                                                                                                                         Textiles» de l’Empa de Saint-Gall.

 AVATAR
                                                                                                                                                                                                                                                         Démarré récemment, ce projet est
                                                                                                                                                                                                                                                         soutenu par la Fondation Novartis et
                                                                                                                                                                                                                                                         le Competence Centre for Materials
                                                                                                                                                                                                                                                         Science and Technology CCMX de
                                                                                                                                                                                                                                                         Lausanne. Objectif: faire passer des

 CHEZ LE
                                                                                                                                                                                                                                                         médicaments tels que des analgésiques
                                                                                                                                                                                                                                                         ou de l’insuline dans le corps par la
                                                                                                                                                                                                                                                         peau, en se servant de fibres et de
                                                                                                                                                                                                                                                         membranes intelligentes, tout en

MÉDECIN
                                                                                                                                                                                                                                                         monitorant les paramètres vitaux du
                                                                                                                                                                                                                                                         patient par capteurs. Les données sont
                                                                                                                                                                                                                                                         fournies au jumeau numérique qui déter-
                                                                                                                                                                                                                                                         mine les meilleurs dosages pour le sujet
                                                                                                                                                                                                                                                         et suit l’avancement du traitement. Dans
                                                                                                                                                                                                                                                         une étape ultérieure, le même principe
                                                                                                                                                                                                                                                         pourrait permettre de suivre le proces-
                                                                                                                                                                                                                                                         sus de guérison de plaies difficiles. Des
                                                                                                                                                                                                                                                         chercheurs de l’Empa ont déjà réalisé un
      L’émergence de doubles entièrement                                                                                                                                                                                                                 pansement intelligent à capteur intégré.
     virtuels pourrait un jour révolutionner
   la médecine. Des chercheurs de l’Empa
 mettent au point un «jumeau numérique»                                                                                                                                                                                                                  «Le double in silico de
  qui devrait ouvrir la voie à des thérapies
     sur mesure. L’avatar doit permette de
                                                                                                                                                                                                                                                         nos patients nous permet
     personnaliser le traitement des diabé-                                                                                                                                                                                                              de les soigner avec beau­
        tiques ou des patients souffrant de                                                                                                                                                                                                              coup plus de précision»
    douleurs chroniques. Le jumeau numé-
  rique doit également permettre d’antici-
               per les effets de la thérapie.                                                                                                                        COPIE CONFORME VIRTUELLE                                                            Dans ce projet de jumeau numérique,
                                                                                                                                                                     Le jumeau numérique reçoit les données
                                                                                                                                                                     ­physiologiques du patient en temps réel.
                                                                                                                                                                                                                                                         Defraeye et son équipe entendent
                                     Texte: Andrea Six                                                                                                                Objectif: une médecine personnalisée.                                              fusionner deux axes de recherche
                                                                                                                                                                                                                                                         innovants: la prise non invasive de

                                                         C
                                                                                                                                                                                                                                                         médicament à travers la peau par timbre
                                                                      haque être humain est          mêmes comprimés contre les maux                                selon leur âge, leur style de vie, ou        vient l’idée du jumeau numérique        transdermique, et le réglage et anticipa-
                                                                      différent. On le constate      de tête et on prescrit de l’insuline à                         leur génome. Les êtres humains sont          alimenté en temps réel par les          tion en temps réel du déroulement
                                                                      dans nos habitudes ali-        tous les diabétiques. L’équation n’est                         des êtres vivants, ils modifient leurs       données physiologiques du sujet.        d’un traitement par le truchement d’un
                                                                      mentaires ou dans la           toutefois pas si simple. La médecine                           habitudes, ils partent en vacances           Cet avatar médical pourrait un jour     modèle. Cette approche est particulière-
                                                                      liste de nos films préférés.   moderne l’a bien compris, d’où le                              ou attrapent soudainement un rhume:          révolutionner la médecine. Des          ment élégante car la peau, le plus grand
                                                                                                                                              Photo: shutterstock

                                                         Mais face à la maladie? Nous pour-          concept de médecine personnalisée.                             les traitements qu’on leur applique          chercheurs de l’Empa travaillent déjà   organe humain, offre une importante
                                                         rions être tentés de nous croire tous       Les patients réagissent en effet très                          doivent pouvoir faire montre de la           à un double numérique de la peau        surface par où transférer dans le corps
                                                         identiques. Après tout, on achète les       différemment à certaines thérapies                             même souplesse. Et c’est là qu’inter-        qui doit permettre d’optimiser          et de manière indolore des molécules

                                                                                                                                                                                                                                                                                                              ▲
12 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   13
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                                                                                        [ MATÉRIAUX ]

dont la taille ne dépasse pas une certaine    spatial endommagé sur terre. On utilise           du producteur jusqu’au détaillant, puis,
taille. Les timbres actuels ne permettent     aujourd’hui des doubles digitaux dans             dans une étape ultérieure, intervenir
pas de régler correctement les dosages,       la conception des avions, des voitures            sur le réglage de la chaîne. A cette fin,
entre autres parce que, lorsqu’on les         ou de l’entretien des immeubles.                  Defraeye a placé au milieu d’envois de
a enlevés, une part de la substance           «La médecine rêve de doubles complets             pommes, de mangues et d’autres fruits
active continue de migrer des couches         in silico permettant de prévoir comment           des doubles biophysiques aux réactions
cutanées vers le corps. Les méthodes          un sujet va vieillir ou la manière dont           identiques à celles de leur modèle
actuelles de suivi de la teneur du sang en    une prothèse osseuse va s’user» explique          naturel et fonctionnant comme capteurs.
substance active ne permettent de savoir      Defraeye. Mais on n’y est pas encore.             D’un bout à l’autre du voyage, ces
que a posteriori si le dosage a été trop      Le système de timbre intelligent et               «espions» ont envoyé des données à leur
élevé ou alors insuffisant. Les timbres       de simulation en temps réel est une               jumeau digital qui peut, par exemple,
habituels ne permettent pas d’anticiper       piste très prometteuse et peu explorée.           corriger la climatisation d’un camion. Le
les besoins en substance active.              L’étape du «jumeau numérique» dans                fruit virtuel se base dans ce cas sur un
                                              la thérapie par timbre transdermique              modèle CAD tridimensionnel de pomme
NOURRIR LE JUMEAU DE DONNÉES                  nous rapproche de l’avatar médical.               ou de mangue relié à un simulateur
Un jumeau numérique traitant des                                                                multiphysique.
données provenant de capteurs non
invasifs placés sur la peau permet, lui, de   «En médecine,                                     Pour réaliser l’avatar de thérapie
doser la substance avec précision et de       le rêve l’un des                                  transdermique, les chercheurs de l’Empa
manière personnalisée. La modélisation        In-Silico double»                                 vont programmer un modèle complexe
mathématique du jumeau numérique                                                                et multiphysique de la peau qui recevra
tient entre autres compte des propriétés                                                        les signaux de capteurs dermiques.
spécifiques de la peau du patient. Il est     Dans ses recherches sur le dévelop­               Le développement des capteurs se fera
évident que selon la partie du corps où       pement du «Digital Twin» médical,                 à l’aide de jumeaux d’humains appelés
le timbre est appliqué, ou selon qu’il        Defraeye peut s’appuyer sur les résultats         Manikins. Ces mannequins sont équipés
s’agit de la peau d’un sportif sans cesse     de ses recherches antérieures sur les             de capteurs dont les signaux permettent
exposé au soleil, de la peau fine comme       jumeaux numériques de différents fruits,          d’évaluer les valeurs physiologiques et
du papier d’une dame âgée ou de la            réalisés dans le cadre d’un projet en             les réactions d’un humain telles que les
peau délicate d’un prématuré, le passage      technologie alimentaire financé par le            variations de la température de sa peau
du médicament s’opère différemment.           Fonds national suisse (FNS), et toujours          ou sa sudation. Les manikins et le                                       ART DES FIBRES
Avec un jumeau numérique, il devient          en cours. Objectif: contrôler en temps            modèle informatique qui leur est couplé                                  est une question d’expérience. Les
                                                                                                                                                                         ­propriétés des fibres peuvent être calculées.
possible d’assurer le dosage précis et        réel la continuité de la chaîne de froid,         ont déjà fait leur preuve dans la simula-
dynamique du médicament par timbre                                                              tion de certaines réactions physiolo-
transdermique dans la mesure où le                                                              giques humaines. Le système va mainte-
modèle permet d’anticiper le résultat, et                                                       nant être employé dans la réalisation

                                                                                                                                                                                                                          LE MATÉRIEL
non plus seulement d’en prendre                 LE GROUPE SIMULATION DE L’EMPA                  d’un jumeau numérique sensiblement
connaissance après coup. «Cette                 En 2016, les experts en simulation de           plus complexe et intégrant plus de
approche devrait aussi nous permettre           l’Empa associés à divers laboratoires ont       variables. «C’est que le jumeau virtuel

                                                                                                                                                                                                                          PROGRAMMÉ
de réduire les doses – par exemple              créé ­l’«Empa’s Modelling & Simulation          ne doit pas seulement réagir aux
d’analgésique – jusqu’à la valeur               Group» pour partager des logiciels de           changements, il doit également prévoir
optimale pour le patient» ajoute le             simulation, discuter stratégie et convier les   de manière fiable le dosage individuel
chercheur.                                      scientifiques de passage à présenter leurs      des médicaments» précise Defraeye.  ■
                                                travaux. La simulation a pour tâche de
La notion de double virtuel est                 résoudre d’exigeants problèmes de physique,
                                                                                                                                                                                         Peut-on calculer à l’avance les caractéristiques de matériaux composites? Des spécialistes de l’Empa
                                                                                                                                            Photo: istock/Getty Images

­d’actualité au moins depuis la mission         de chimie, de science des matériaux et
 Apollo 13 de la NASA. C’est en simulant        d’ingénierie par voie de calcul, de l’échelle                                                                                   y parviennent, aidant ainsi les chercheurs à atteindre plus rapidement leurs objectifs. Deux exemples d’application:
 la situation avec des doubles qu’on            du nano à celle de l’environnement.                                                                                              ­l’amélioration du recyclage du PET et la réalisation de matières synthétiques conductrices pour l’industrie solaire.
 a trouvé la solution qui a permis              www.empa-akademie.ch/multiscale                 Pour plus d’informations:
 à l’équipage de ramener le vaisseau                                                            www.empa.ch/web/s604/nanoreaktor                                                                                                  Texte: Rainer Klose

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        ▲
14 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                          # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   15
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ FOCUS: NUMÉRISATION ]                                                                                                                                                                                                                                                             [ MATÉRIAUX ]

A
               Ali Gooneie, chercheur                                                                                                                   Pour en décrire et en prévoir les pro­        Jusqu’à récemment, les chercheurs           le fond et le refond trop souvent, une
               à l’Empa, simule sur                                                                                                                     priétés macroscopiques, on utilise            en matières composites cernaient la         partie de ses molécules s’oxydent, se
               ordinateur la manière                                                                                                                    ici la méthode des éléments finis.            question et tentaient d’y répondre par      réticulent, forment des pelotes et le
               dont les choses se                                                                                                                                                                     une succession d’expériences chimiques.     matériau devient visqueux, puis vitreux.
               nouent au cœur de                                                                                                                        COMPRÉHENSION DÉTAILLÉE DES FIBRES            Ali Gooneie l’a abordée sous un angle
la matière: atomes, molécules, chaînes                                                                                                                  Cette approche multidimensionnelle            théorique, en y joignant ses méthodes       MEILLEUR RECYCLAGE DU PET
et faisceaux de molécules – puis                                                                                                                        des matériaux composites n’a été              de simulation pluridimensionnelle.          Un additif pourrait y remédier. Il s’agit
les pelotes et les fibres qui peuvent                                                                                                                   adoptée qu’il y a peu d’années. Ali           Sa conclusion: un mélange de CNT de         du DOPO-PEPA, un ignifugeant déve­
en résulter. Ses calculs lui permettent                                                                                                                 Gooneie en a poursuivi le développe-          différentes longueurs devrait permettre     loppé à l’Empa par Sabyaachi Gaan,
également d’expliquer pourquoi, au                                                                                                                      ment à l’Université de Leoben, suscitant      d’obtenir plus rapidement la conductivité   également du département «Advanced
toucher, certains matériaux sont lisses                                                                                                                 l’intérêt de l’Empa. Installé aujourd’hui     électrique souhaitée. Il a également        Fibers». Les chercheurs ont pensé qu’il
ou rêches, flexibles ou rigides,                                                                                                                        à Saint-Gall, l’expert en simulation          pu déterminer à l’avance la manière         pourrait servir de lubrifiant et d’agent
conducteurs ou isolants thermiques.                                                                                                                     y travaille au département «Advanced          dont les nanotubes s’ordonnent dans         protecteur dans le recyclage du PET.
                                                                                                                                                        Fibers» sous la direction de Manfred          le polymère selon que le procédé de         On a de nouveau fait appel à Gooneie.
Nombre de ces propriétés sont intrin-                                                                                                                   Heuberger.                                    fabrication est conduit plus ou moins       Première étape de son travail: vérifier
sèques au matériau considéré. Métal ou                                                                                                                                                                rapidement.                                 si DOPO-PEPA se laisse incorporer au
bois, plastique ou céramique, roches ou                                                                                                                 L’un des objectifs des travaux de                                                         PET aux températures envisagées. Après
gel – leur propriétés ont déjà été                                                                                                                      Heuberger est de poursuivre le dévelop-       Parallèlement à leurs calculs, les cher-    quoi, Goonerie a étudié la manière dont
scrutées avec succès. Mais qu’en est-il                                                                                                                 pement des fibres synthétiques – un           cheurs ont procédé à des essais. Des        ses petits colliers de billes représentant
des matériaux composites? D’où tirent-ils                                                                                                               enjeu économique de taille: environ           nanotubes ont été mêlés à différentes       les molécules de PET se déplaçaient
leurs propriétés, comment les modifier                                                                                                                  deux tiers des fibres utilisées dans le       concentrations à une matrice polyamide      dans une masse en fusion, comment
en connaissance de cause? On peut            PREMIERS ÉCHANTILLONS                                                                                      monde sont actuellement produits par                                                      les molécules de DOPO-PEPA s’y entre-
l’étudier expérimentalement en labora-       du dernier projet d’Ali Gooneie: un plastique                                                              voie de synthèse. Une fibre synthétique,      «La simulation n’est pas                    mêlaient et dans quelles conditions
                                             électriquement conducteur. Au tableau,
toire, mais cela ne suffit plus: la re-      les premiers calculs de son prochain projet.                                                               c’est beaucoup plus qu’un simple fil.         une fin en soi. J’y recours                 le mélange pouvait s’équilibrer.
cherche actuelle entend calculer ces                                                                                                                    On ne parle de fibre que lorsque sa           pour expliquer les effets
propriétés à l’avance pour rapidement                                                                                                                   structure moléculaire, faite de petits        que nous observons                          Résultat: Il suffit de quelques pourcents
focaliser les expériences.                                                                                                                              cristaux orientés, présente les qualités                                                  de DOPO-PEPA pour que le PET recyclé
                                                                                                                                                                                                      dans les matériaux.»
                                                                                                                                                        par exemple de flexibilité et de résistance                                               soit bien onctueux. Les calculs de haut
Gooneie est un des nombreux spécia-         bien connue: les cheveux. Fraîchement            cheveux n’apparaîtraient pas si l’on                       à la traction souhaitées. Les propriétés                                                  niveau effectués à l’Empa vont permettre
listes en simulation numérique engagés      lavés, ils sont doux et souples, secs,           n’en considérait que l’élément central,                    de ces produits, tant à la fabrication        extrudée à 245°C. Les analyses subsé-       de redonner toute sa fluidité au recy-
dans différents départements de l’Empa.     ils peuvent crépiter d’électricité statique,     les acides aminés. Il faut également bien                  qu’à l’usage, ne peuvent être comprises       quentes ont montré que la conductivité      clage du PET.
Il a étudié la technologie des matières     et mouillés, couiner comme du caout-             comprendre la structure dans laquelle                      que lorsque leur structure fibreuse a été     était la meilleure pour une teneur
plastiques à l’Amirikabir University        chouc. On peut les couper, les rompre,           ces derniers sont insérés.                                 éclaircie du nanomètre au micromètre.         ­pondérale de 0,15 pourcent de CNT.
of Technology de Téhéran, puis passé        les roussir et les onduler (permanente),                                                                                                                  Main dans la main, les essais en labora-
son doctorat à l’Université de Loeben       les déteindre et les gonfler au föhn.            Prenons mentalement du recul et                            DES POLYMÈRES ­                               toire et les mathématiques appliquées
(Montanuniversität) en Autriche. «Bien      D’où tiennent-ils toutes ces propriétés?         visualisons les molécules comme autant                     COMPOSITES ­CONDUCTEURS                       ont permis de résoudre élégamment
que, après mes études d’ingénieur,                                                           de petites billes formant un collier. A                    Gooneie a déjà accompagné plusieurs           la question.
je me sois plongé toujours plus profond     QUELLE IMPRESSION FONT LES                       ce niveau, ce n’est plus la chimie qui est                 projets. L’un d’eux avait pour but
dans l’univers formel de la physique,       ­CHEVEUX AU TOUCHER? ET POURQUOI?                en jeu, mais les collisions et les frotte-                 d’incorporer des nanotubes de carbone         Les simulations numériques sont aussi
je n’ai jamais perdu le contact avec le     Les cheveux sont composés d’acides               ments. Les spécialistes utilisent ce type                  (CNT) dans une matrice polyamide. Bien        d’une aide précieuse dans les projets
monde réel», explique-t-il. «La simula-     aminés qui forment de longues chaînes            de représentation dans les modèles dits                    dosés, les CNT peuvent convertir une          de recyclage. En 2018, les Suisses ont
tion ne m’apparaît pas comme une fin        protéiniques, les kératines. Les molécules       «gros grains».                                             matière synthétique en conducteur,            récolté près de 48’000 tonnes de
en soi. J’y recours pour expliquer quels    de kératine forment des fils puis des                                                                       ce qui est intéressant, par exemple,          bouteilles en PET. L’industrie a pu en
effets peuvent être observés dans les       fibres. Un jeu de membranes cellulaires          Poursuivons jusqu’à l’échelle du milli-                    pour l’industrie du photovoltaïque. Mais      tirer 35’000 tonnes de PET recyclé.
matériaux et comment les observer.»         lie ces fibres. Les faisceaux de fibres ainsi    mètre, un domaine où nous pouvons                          comment trouver le dosage optimal en          Ce plastique est très apprécié pour sa
                                            formés, matière vivante, sont enveloppés         voir et sentir les choses. Les cheveux                     nanotubes? Doivent-ils tous être de la        résistance mécanique, son étanchéité                                                                   ■

Pour bien comprendre l’objet des            par plusieurs couches de cellules cornées        nous apparaissent alors comme faits                        même longueur ou est-il préférable d’en       à l’air et aux gaz et sa bonne tenue aux
                                                                                                                                          Photo: Empa

calculs de Gooneie, considérons une         mortes disposées comme les écailles              d’une matière homogène dont nous                           incorporer de différentes longueurs?          hautes températures. Mais il ne peut        Pour plus d’informations:
fibre polymère composite naturelle          d’une pive de sapin. Les propriétés des          ne percevons plus la structure fine.                                                                     pas être recyclé indéfiniment. Lorsqu’on    www.empa.ch/web/s402

16 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                               # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   17
Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
[ BRIÈVEMENT ]

                                     DES PROTHÈSES RÉALISÉES PAR IMPRESSION 3D                                                                                                                                                                                               SCIENCE SUR
                                                                                                                                                                                                                                                                              NOS CIMES
                                                                                                                                                                                                                                                               Au début des années 1930, alors que de
                                                                                                                                                                                                                                                        nombreux pays européens se bouclent, la Suisse
                                                                                                                                                                                                                                                         a ouvert la station de recherche internationale
                                                                                                                                                                                                                                                             du Jungfraujoch. En 2019, la station reçoit
                                                                                                                                                                                                                                                         deux prix en tant que site historique important
                                                                                                                                                                                                                                                                 pour les sciences naturelles. La Société
                                                                                                                                                                                                                                                        Européenne de Physique honore les réalisations
                                                                                                                                                                                                                                                         en physique et l’Académie Suisse des Sciences
                                                                                                                                                                                                                                                              les réalisations en chimie. Depuis près de
                                                                                                                                           PRÉCISION
                                                                                                                                           La fabrication addi-                                                                                          50 ans, l’Empa est également à la pointe de la
                                                                                                                                           tive est loin d’être                                                                                            recherche européenne : la mesure de plus de
                                                                                                                                           simple. Elle requiert
                                                                                                                                           un savoir spécialisé                                                                                                70 substances différentes dans l’air doit
                                                                                                                                           sur les matériaux,                                                                                                  permettre de comprendre l’évolution des
                                                                                                                                           les processus et le                                                                                                                                                                                                               FROID
                                                                                                                                           traitement final des
                                                                                                                                                                                                                                                                                      émissions mondiales.                                                                   Depuis 1972,
                                                                                                                                           pièces imprimées.                                                                                                                                                                                                                 l’Empa scrute la
                                                                                                                                                                                                                                                            www.empa.ch/web/s604/top-of-europe-auszeichnung                                                                  qualité de l’air au
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Jungfraujoch, à
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             3450 m d’altitude.

                          L’impression 3D fait son entrée dans la production industrielle. Cette technologie ainsi que la numérisation ­
                   croissante des processus de conception et de fabrication – mot-clé «Industry 4.0» – joueront également un rôle ­central
                      dans la technologie médicale à l’avenir. Un nouveau centre de transfert de technologie dans le canton de Soleure
                             contribuera au transfert de savoir-faire de la science vers l’industrie, tout en promouvant la recherche.

                                                                     www.empa.ch/web/s604/m4m

                                                                                                                                                    MINUSCULE
                                                                                                                                                    Le graphène est

                     LE GRAPHÈNE                                                                                                                    un matériau d’ave-
                                                                                                                                                    nir. Mais présente-il

                EST-IL INOFFENSIF?                                                                                                                  un danger pour
                                                                                                                                                    l’homme et l’envi-
                                                                                                                                                    ronnement?
         Le graphène est considéré comme l’un des
           matériaux les plus intéressants et les plus
                                                                                                                                                                                                                                                              ININFLAMMABLE
       polyvalents de notre époque. Les possibilités                                                                                                                                                                                                          Le bois découpé
     d’application inspirent la recherche et l’indus-                                                                                                                                                                                                         au laser décore les
                                                                                                                                                                                                                                                              halls d’hôtels et les
      trie. Mais les produits contenant du graphène                                                                                                                                                                                                           navires de croisière.
     sont-ils également sans danger pour l’homme
   et l’environnement? Cette question a fait l’objet
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    ANTI-FEU & NON TOXIQUE
                                                                                                                                                                                                                Photos: www.jungfrau.ch, www.bruag.ch

          d’une étude approfondie dans le cadre du
                                                                                                                                                                            Photos: istock/Getty Images, Empa

       projet phare européen sur le graphène, avec                                                                                                                                                                                                                              En collaboration avec BRUAG Fire Protection AG, les spécialistes de l’Empa ont développé
           la participation de chercheurs de l’Empa.                                                                                                                                                                                                                                   un nouveau retardateur de flamme pour le bois et les matériaux à base de bois.
                                                                                                                                                                                                                                                                                L’additif incolore, qui peut être facilement mélangé avec des revêtements et des matériaux
                     www.empa.ch/web/s604/graphene-safety
                                                                                                                                                                                                                                                                                 cellulosiques, ouvre de nouvelles applications aux entreprises de transformation du bois.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                              www.empa.ch/web/s604/eda-dopo-reach

18 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   19
[ ÉNERGIE ]

                                                                                                                                                              Autant de questions que Philip Heer,         le courant injecté et le courant prélevé         piloter de manière à optimiser l’ensemble
                                                                                                                                                              chercheur de l’Empa, s’est posées. Pour      est très faible, si bien que le prosomma-        des intérêts en jeu, et non pas seulement
                                                                                                                                                              y répondre, il a exploité les données des    teur n’a que peu d’intérêt à injecter son        à maximiser celui des prosommateurs
                                                                                                                                                              services industriels Glattwerk de Düben-     courant dans le réseau.                          individuels. Faute de quoi on s’expose
                                                                                                                                                              dorf et étudié deux types de batteries:                                                       par exemple à une situation où, par beau
                                                                                                                                                              les batteries lithium-ion et les batteries   Comment alors mettre en œuvre des                temps, tous les prosommateurs chargent
                                                                                                                                                              salines du type sodium-chlorure de           batteries fixes de manière que les deux          leurs batteries à capacité et, quand
                                                                                                                                                              nickel, également nommées batteries          parties y trouvent leur compte? Pre-             toutes sont pleines mettons vers midi,
                                                                                                                                                              ZEBRA (voir encadré). Il a simulé sur        nons une journée bien ensoleillée. Les           basculent simultanément leur courant
                                                                                                                                                              ordinateur 160 scénarios en variant          installations solaires produisent du             dans le réseau. Les exploitants se
                                                                                                                                                              la taille des batteries et en optant pour    courant pendant qu’il fait jour, alors que       retrouveraient face à un pic de courant.
                                                                                                                                                              des systèmes centralisés ou distribués.      bien des habitants ne sont pas chez
                                                                                                                                                                                                           eux. Mais si les installations injectent le      Une régulation bien conçue chargerait
                                                                                                                                                                                                           courant produit dans le réseau alors que         les batteries lorsque le réseau se voit
                                                                                                                                                              «Les batteries gérées                        le tarif est au plus bas, les deux côtés         offrir plus de courant qu’il ne doit en
                                                                                                                                                              pour satisfaire et les privés                y perdent: les consommateurs doivent             fournir. Il est possible de le calculer:
                                                                                                                                                                                                           ré-acheter du courant le soir, quand il est      «Les simulations montrent que les
                                                                                                                                                              et le réseau rapportent
                                                                                                                                                                                                           plus cher, et les gestionnaires de réseau        batteries dont la charge est optimisée
                                                                                                                                                              15% de plus»
                                                                                                                                                                                                           doivent renforcer leur réseau pour               compte tenu des différents objectifs à
                                                                                                                                                                                                           qu’il puisse transporter de plus grandes         satisfaire ont un rendement financier
                                                                                                                                                                                                           quantités de courant. En revanche,               moyen jusqu’à 15% supérieur à celui
                                                                                                                    POINTES DE COURANT
                                                                                                                    L’énergie solaire culmine
                                                                                                                                                              «PROSOMMATEURS» ET DISTRIBUTEURS             si le courant autoproduit est stocké             des batteries optimisées pour l’une
                                                                                                                    vers midi. Comment la                     Nous avons deux parties en présence,         sur place en batteries, il peut être             des parties seulement», explique Heer.
                                                                                                                    stocker à bon compte?                     chacune avec ses propres intérêts.           consommé le soir par ses producteurs             Les deux parties peuvent déjà tirer profit
                                                                                                                                                              D’un côté, les gestionnaires de réseaux      et le réseau échappe à la surcharge.             de petites batteries décentralisées.
                                                                                                                                                              de distribution: leurs entreprises gèrent                                                     Les batteries plus importantes desservant
                                                                                                                                                              les réseaux électriques de moyenne et        L’ÉCONOMIE DU PARTAGE ­APPLIQUÉE                 des groupes de prosommateurs sont

DES BATTERIES
                                                                                                                                                              basse tension qui fournissent les consom-    AUX BATTERIES                                    encore plus favorables.
                                                                                                                                                              mateurs finaux en courant. En Suisse,        Les batteries ne présentent cependant
                                                                                                                                                              on en compte environ 650 totalisant un       pas que des avantages. Leur rende-               VÉRIFIER LES SIMULATIONS

DANS LES QUARTIERS
                                                                                                                                                              réseau de quelque 200’000 km. Princi-        ment n’est pas de 100%. Si bien que              Il s’agit maintenant de valider le résultat
                                                                                                                                                              pale préoccupation: réduire au minimum       la consommation moyenne d’énergie de             de ces simulations en grandeur réelle.
                                                                                                                                                              les risques de panne du réseau sans pour     l’ensemble du réseau augmente lors-              Heer et son équipe mettent actuelle-
                                                                                                                                                              autant dimensionner les infrastructures      qu’on l’épaule par des batteries. Si l’on        ment au point une commande optimi-
                                                                                                                                                              sur la charge maximale possible, laquelle    veut que l’usage de batteries bénéficie          sée qui régulera un système de batteries
Les capteurs solaires installés sur les toits produisent fréquemment de l’énergie au moment où les habitants n’en ont pas                                     ne s’observe que rarement.                   aux deux parties, il faut pouvoir les            intégré au démonstrateur «Energy Hub»
besoin. Des batteries fixes permettent de l’utiliser le soir, la nuit ou par temps de pluie. Mais cela présente-il un intérêt économique                                                                                                                    de l’Empa. Les différentes unités de
pour les utilisateurs? Et pour les fournisseurs d’électricité? La question fait l’objet d’un projet de recherche à l’Empa.                                    De l’autre côté, les consommateurs qui                                                        NEST en seront les prosommateurs,
                                                                                                                                                              produisent également du courant, les           LA BATTERIE ZEBRA                              fournissant et consommant différentes
Texte: Karin Weinmann                                                                                                                                         «prosommateurs». Il peut s’agir d’un           La batterie saline de type NaNiCl2, dite       quantités de courant. Les tests utilise-

L
                                                                                                                                                              simple bâtiment ou d’une communauté            ZEBRA, a été développée en 1985 à              ront deux types de batteries: salines et
          a multiplication des installations   n’a pas été dimensionné en consé-             Autre approche possible: prévenir                                de voisins clients du distributeur, qui        Pretoria, en Afrique du Sud. Le nom ZEBRA      lithium-ion. «Si nos simulations sont
          solaires sur les toits suisses       quence, il peut, dans le pire des cas,        le déferlement de courant excédentaire                           consomment du courant soit prélevé sur         est celui du projet «Zero Emission Batteries   confirmées par les faits, nous pourrions
          place les exploitants du réseau      s’effondrer. Pour prévenir ce type de         dans le réseau en le stockant provisoire-                        le réseau, soit produit par leurs propres      Research Activity». Les batteries utilisent    utiliser le réseau déjà analysé de
          électrique face à un problème.       blackout, on pourrait par exemple             ment sur place. Mais le détenteur de                             installations solaires. Leur objectif:         des matières premières plus abondantes         Dübendorf comme projet-pilote»,
          Par de belles journées ensoleil-     redimensionner le réseau en lui fixant        l’installation y verra-t-il un avantage?                         réduire leurs dépenses, ce qui signifie        que celles, par exemple, de la technologie     remarque Heer.                           ■

lées, il peut arriver que de grandes           une charge maximale très supérieure.          Quelles sont les possibilités réalistes                          consommer leur propre courant quand            lithium-ion. La température d’exploitation
                                                                                                                                                Photo: Empa

quantités de courant affluent soudaine-        Le coût de l’opération serait considé-        de stockage? Et cela permet-il réellement                        l’électricité du réseau est plus chère.        d’une ZEBRA est de l’ordre de 300°C.
                                                                                                                                                                                                                                                            Pour plus d’informations:
ment dans le réseau. Si ce dernier             rable.                                        de stabiliser le réseau?                                         Actuellement, la différence de prix entre                                                     www.empa.ch/web/energy-hub

20 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64                                                                                                                                                                                                                                      # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I   21
EXEMPLE DE PROJETS 1

   LE FONDS AVENIR DE
                                                                                                                                                                             Traitement ciblé de la septicémie
                                                                                                                                                                             La septicémie est une infection potentiellement mortelle ayant échappé à tout
                                                                                                                                                                             contrôle. En Suisse, chaque année, près de 15’000 personnes en sont victimes.
   L’EMPA – UNE RECHERCHE                                                                                                                                                    Dans un tiers des cas, l’issue est fatale. Le traitement est difficile car l’agent
                                                                                                                                                                             pathogène est souvent difficile à identifier. La thérapie consiste le plus souvent

   QUI VOIT LOIN                                                                                                                                                             en antibiotiques à large spectre dont l’usage à fortes doses est l’une des causes
                                                                                                                                                                             de la résistance accrue des germes pathogènes. Un projet soutenu par la Fondation
                                                                                                                                                                             Novartis étudie une nouvelle manière de traiter la septicémie. Les microbes circulant
                                                                                                                                                                             dans le sang en sont retirés par de nanoparticules magnétiques, de façon rapide
                                                                                                                                                                             et efficace. Cela permet aussi de les identifier et de prescrire un antibiotique ciblé.

                                                                                                                                                                             EXEMPLE DE PROJETS 2
                                                                                                                                                                             Des filtres à eau de meilleure qualité
                                                                                                                                                                             Chaque année, des centaines de millions de personnes tombent malades pour avoir
                                                                                                                                                                             consommé de l’eau souillée. Des millions d’entre elles y laissent leur vie. Il est certes
                                                                                                                                                                             possible, dans bien des cas, d’acheter de l’eau en bouteille, mais ce n’est à la portée

M
                                                                                                                                                                             que d’une part de la population. La base de la pyramide des revenus doit pouvoir
                     obilité sans limites, boulimie énergétique,   des donations qu’il reçoit. C’est la raison d’être de son                                                 disposer de méthodes bon marché et fiables de traitement de l’eau, capables d’en
                     santé et performances jusqu’au soir           Fonds Avenir: offrir à plus d’idées prometteuses la possibilité                                           retirer les germes pathogènes. Les filtres habituels permettent de retenir les bactéries et
                     de la vie, des logements et des espaces       d’être concrétisées. Nous mettons actuellement sur pied                                                   les petits organismes; ils restent toutefois impuissants face aux virus qui sont cinquante
                     publics toujours plus confortables…           un système professionnel de collecte de fonds. Les moyens                                                 fois plus petits que les bactéries. L’objet de ce projet est de développer des matériaux
                     Comment satisfaire tout le monde si nous      que le Fonds Avenir alloue proviennent de donations                                                       revêtus d’une couche spéciale qui, sous forme de carrelage, retiennent les virus
  souhaitons respecter la planète et la maintenir en bon état      d’intérêt général accordées par des entreprises, des fonda-                                               pathogènes. Ce projet a pu être réalisé grâce à une très généreuse donation privée.
  pour nos enfants? La réponse se trouve dans le développe-        tions et des personnes privées. Ils nous permettent de
  ment des technologies innovantes et des nouveaux                 soutenir des projets de recherche difficilement finançables
  matériaux qui nous permettront d’orienter notre dévelop­         par d’autres voies et susceptibles d’apporter une contribu-
  pement vers la durabilité, la qualité et le succès écono-        tion importante au développement durable.
  mique. Cet objectif, c’est bien celui que l’Empa s’est fixé.                                                                                                               EXEMPLE DE PROJETS 3
  Nos chercheurs s’attachent à relever les défis de notre                                                                                                                    Amortissement sur mesure des oscillations
  temps. Leur mission: explorer de nouveaux horizons et                                                                                                                      Certaines structures cristallines macroscopiques amortissent les oscillations
  repousser toujours plus loin les frontières de la science et                                                                                                               parasites ou filtrent le bruit, sans électricité ni électronique. Plus légères et plus
  de la technique. Ce faisant, nous renforçons mieux q­u’au-                                                                                                                 résistantes que les isolants habituels, elles peuvent être réalisées sur mesure,
                                                                                                   GABRIELE DOBENECKER
  cune autre institution suisse la compétitivité internationale                                                                                                              en fonction exacte de leur application. Leur mise au point nécessite toutefois
                                                                                                   Responsable du Fonds avenir
  de notre pays. Depuis 2001, l’Empa lance régulièrement                                           de l’Empa                                                                 des études qu’aucune industrie ne semblait disposée à entreprendre. L’idée a
  des «Internal Research Calls» proposant à ses chercheurs                                         Tél.: +41 58 765 44 21                                                    donc reçu un financement du Fonds Avenir. Eh bien? Existent-ils, ces matériaux
                                                                                                                                     Photos: istock/Getty Images, Empa (4)

                                                                                                   gabriele.dobenecker@empa.ch
  de présenter des idées de projets réellement originaux,                                                                                                                    supportant de lourdes charges tout en amortissant le bruit et les vibrations,
  avec à la clé une possibilité de financement. De nom-                                                                                                                      simplement de par leur structure interne? A l’issue de trois années de recherches,
  breuses technologies passionnantes sont nées de la sorte,                                                                                                                  la réponse est «Oui, il en existe». Parmi les applications possibles de ces «cristaux
  qui n’auraient pas vu le jour sans cet appel à idées. Le                                                                                                                   phononiques», citons la réduction du bruit dans les véhicules et du bruit des
  nombre de projets que notre institut peut soutenir dépend        Pour plus d’informations:                                                                                 machines, mais également la protection antisismique de bâtiments entiers.
                                                                   Fonds avenir de l’Empa www.empa.ch/zukunftsfonds.

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