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Le dégivrage du futur sera-t-il inspiré du manchot papou?

Un couple de manchots papous sort de l'eau sur une plage.

Couple de manchots papous sortant de l'eau sur la côte glacée de Neko Harbor en Antarctique.

Photo : iStock

Les plumes du manchot papou pourraient inspirer une nouvelle solution antigivrage efficace et écologique, montrent les travaux préliminaires de la professeure Anne Kietzig et de son équipe du Laboratoire d’ingénierie biomimétique de surface du Département de génie chimique de l’Université McGill.

Les techniques actuelles pour dégivrer les structures comme les pylônes, les turbines éoliennes et les ailes d’avion nécessitent la production de chaleur, des vibrations mécaniques ou le recours à des produits chimiques.

Des dizaines de pylônes électriques se sont effondrés lors de la crise du verglas.

Des dizaines de pylônes électriques se sont effondrés lors de la crise du verglas qui a paralysé l’est du Canada et le nord-est des États-Unis en 1998.

Photo : Radio-Canada

Ces méthodes, qui n’ont pas beaucoup évolué dans les dernières décennies, demandent beaucoup de temps; elles sont coûteuses, énergivores et nécessitent l’utilisation de certains produits polluants.

« Par exemple, on utilisait autrefois l’air chaud produit par les moteurs pour dégivrer les ailes des avions. De nos jours, les moteurs sont de plus en plus efficaces et le carburant est de plus en plus cher. C’est donc devenu plus intéressant pour l'industrie de trouver de nouvelles alternatives »

— Une citation de  Anne Kietzig, Université McGill

Le laboratoire de la professeure Anne Kietzig est spécialisé dans la recherche de solutions d’ingénierie dite biomimétique, c’est-à-dire qui s’inspirent de la nature.

« On cherche des inspirations dans la nature, parce qu’elle est experte pour trouver des solutions qui demandent moins d’énergie et surtout qui utilisent des ressources chimiquement biodégradables! »

— Une citation de  Anne Kietzig, Université McGill

L’ennemi glacé

Au départ, la Pre Kietzig et ses étudiants se sont intuitivement tournés vers les feuilles de plantes pour trouver une solution dégivrante.

Nous avons observé la feuille de lotus, sur laquelle l’eau glisse très facilement, mais on s’est rapidement aperçus qu’elle ne se débarrasse pas aussi facilement de la glace, souligne Anne Kietzig, qui travaille à trouver un agent dégivrant depuis 10 ans.

L’équipe de McGill a ensuite jeté son dévolu sur le manchot, un oiseau qui nage dans les eaux glacées et qui, malgré des températures à la surface bien en deçà du point de congélation, n’accumule aucune glace sur ses ailes.

« Avant d’étudier les propriétés des plumes de manchots, nous n’avions jamais vu de matière issue de la nature capable d’évacuer à la fois l’eau et la glace. »

— Une citation de  Anne Kietzig, Université McGill
Gros plan sur la tête d'un manchot papou au zoo d'Édimbourg en Écosse

Le manchot papou possède une tache blanche triangulaire au niveau de chaque tempe.

Photo : Getty Images / Jeff Mitchell

Le Biodôme à la rescousse

Le doctorant Michael Wood, coauteur des travaux publiés dans la revue ACS Applied Material Interfaces (Nouvelle fenêtre) (en anglais) a contacté le Biodôme de Montréal pour mettre la main sur des plumes de manchots afin de les étudier dans le détail.

« Nous avons attendu que des pingouins perdent leurs plumes… On ne pouvait évidemment pas avoir un pingouin vivant dans notre laboratoire! Et ce fut des plumes de manchots papous! »

— Une citation de  Anne Kietzig, Université McGill

L’équipe a reconstitué le plumage d'un manchot à partir des plumes individuelles et a mené des tests de contact avec des gouttes d’eau.

Comparaison entre la microstructure d'une plume de manchot et une toile métallique.
Agrandir l’image (Nouvelle fenêtre)

La photo de gauche montre la microstructure d’une plume de manchot (le gros plan en médaillon équivaut à un dixième de la largeur d’un cheveu humain). Les barbes et barbules sont reliées au rachis de la plume. Par leurs « crochets », les barbes s’accrochent les unes aux autres. La photo de droite montre la toile métallique d’acier inoxydable sur laquelle les chercheurs ont pratiqué des nanorainures qui imitent la structure des plumes de manchots.

Photo : Université McGill/Laboratoire d’ingénierie biomimétique de surface

Au microscope, la plume de manchot ressemble à un tronc d’arbre miniature. Il y a cette partie centrale, qui ressemble à un tronc, et il y a des petites rayures dessus. À partir de cette partie centrale, il y a de petits filaments appelés "barbes" qui possèdent des crochets, qui s'agrippent aux plumes voisines, explique la professeure.

Des expériences en laboratoire ont montré que la disposition hiérarchique des plumes facilite l’évacuation de l’eau. Les chercheurs ont aussi découvert que les barbes en surface diminuent l’adhérence de la glace.

Le groupe de recherche a ensuite reproduit les propriétés hydrofuges et antigivrage qui imitent la structure des plumes sur une surface métallique usinée au laser.

Des essais en soufflerie ont montré que ces surfaces affichaient une résistance à l’accumulation de glace de 95 % supérieure à celle d’une feuille d’acier inoxydable poli non recouverte, et ce, sans aucun traitement chimique.

Selon les chercheurs, cette technique serait une solution antigivrage sans entretien pour les éoliennes, les pylônes, les fils électriques et les drones.

Une équipe travaille à dégivrer les ailes d'un avion.

Une équipe travaille à dégivrer les ailes d'un avion à l'aide de produits chimiques à l'Aéroport international de Minneapolis-Saint-Paul en novembre 2019.

Photo : Getty Images / Stephen Maturen

La méthode ne sera pas utilisée pour dégivrer les avions dans un avenir proche en raison des risques et de la réglementation associés au transport aérien.

« Il est possible que les ailes d’avion soient un jour dotées d’une surface semblable à celle que nous étudions et que les procédés de dégivrage combinent les techniques traditionnelles avec les textures de surface inspirées des ailes de manchots. »

— Une citation de  Anne Kietzig, Université McGill

L’équipe teste actuellement différents types de configuration de nanorainures sur des plaques métalliques d’acier inoxydable.

On cherche la géométrie parfaite, mais les résultats observés jusqu’à maintenant sont prometteurs, s’enthousiasme la professeure Kietzig.

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