Empa Quarterly NUMÉRISATION - RECHERCHE & INNOVATION II #64 II MAI 2019
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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
[ 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
[ 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 4 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64 # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I 5
[ 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 ▲ 6 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64 # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I 7
[ 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
[ 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
[ 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
[ 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
[ 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
[ 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. 22 I EMPA QUARTERLY II MAI 2019 II # 64 # 64 II MAI 2019 II EMPA QUARTERLY I 23
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