UNE Vie sous-Marine durable
Le sens même de nos TPE consiste à déterminer si l'Homme peut vivre sous la mer. Mais cela inclut forcément de lui trouver ou de lui construire un habitat. L'objectif, ici, est de déterminer si un tel projet de construction est réalisable et quels seraient les matériaux les plus adaptés pour contrer la pression et lutter contre la corrosion. Dans cette partie, nous avons donc étudié les plusieurs contraintes qu’un tel environnement implique.
Qu’est-ce que la corrosion et quels matériaux sont les plus touchés par ce phénomène?
La corrosion est un phénomène de transformation chimique ou physico-chimique qui altère un matériau. Les métaux, en dépit de leur grande solidité, sont plus facilement sujets à la corrosion. Il existe un très grand nombre de corrosions différentes avec des propriétés destructrices différentes et qui varie en fonction d’éléments appelés "agents oxydants" :
> le sel
> l’eau
> le dioxygène
> bactérie
> tension
Les bateaux sont particulièrement victimes de la corrosion car le métal est oxydé par le dioxygène et la réaction est accélérée lorsque le métal est en contact avec l'eau salée.
La zone A, caractérisée par la présence d'un air humide chargés de sel, est généralement propice à la corrosion des produits en acier.
La zone B, caractérisée par la présence permanente d'eau salée et de grandes quantités d'oxygène dissous, est la zone où l'acier est le plus exposé à la corrosion.
La zone C, caractérisée par la présence permanente d'eau salée mais de petites quantités d'oxygène dissous est le siège de la corrosion galvanique. L'acier s’y corrode aussi rapidement.
Lorsque qu'il y a corrosion galvanique, une réaction électrochimique entre deux métaux s'établit formant ainsi de l'énergie électricité : c'est le principe d'une pile électrochimique. Cependant cette réaction n'est pas sans inconvénient car les métaux se corrodent. On distingue alors l'anode (oxydant) et la cathode (réducteur). Lors de cette réaction, l'anode donne des électrons à la cathode. Néanmoins, les métaux ne réagissent pas tous de la même manière ensemble. Un métal peut être l'anode mais aussi la cathode, tout dépend du métal auxquels il est associé. Ainsi, le tableau des potentiels standards permet d'indiquer qui est cathode et qui est anode dans un couple, l'anode étant celui avec le potentiel le plus faible.
Exemple : Pour un couple cuivre/aluminium, l'aluminium est l'anode car il a le potentiel standard le plus faible et par conséquent le cuivre est la cathode.
La corrosion ne touche pas seulement les métaux mais aussi les bétons, les minéraux (granite, calcaire, briques …) et les polymères.
Par quels moyens, protéger ces matériaux de la corrosion?
Les métaux ne se dégradent pas tous de la même intensité. Le cuivre est par exemple le matériau le plus corrosif tandis que le zinc est le moins corrosif. Ainsi, en recouvrant un métal d'une couche de zinc, celui-ci repousse le phénomène de corrosion. Le zinc, qui est anode, va se sacrifier pour l'autre métal, on dit que c'est une anode sacrificielle. On appelle ce procédé, la galvanisation.
Dans le cas de l'acier inoxydable, on mélange de l'acier ordinaire avec du chrome ou du nickel.
Il est tout aussi possible de recouvrir le métal d'un revêtement tel que de la peinture ou d'un plastique particulier.
Quelles sont les différentes grandeurs utilisées pour noter la pression?
> Bar
> Pascal
> Torr (millimètre de mercure)
> psi
> Atmosphère normale (atm)
> Atmosphère technique (at)
Le bar est utilisé dans les domaines de la plongée sous-marine et de l'océanographie c'est pourquoi nous avons décidé de l'utiliser comme unité de mesure de la pression par défaut, dans cette partie.
Qu'en est-il de la pression de l'eau?
Plus on est loin de la surface, plus la pression est élevée car il faut tenir compte du poids de l'eau au-dessus de nous. A -10 mètres de profondeur, chaque cm2 de notre peau supportera le poids d'un litre d'eau. Sachant qu'un litre d'eau pèse environ 1 kg, la pression due à l'eau à -10 m de profondeur est donc de 1 kg / cm2, c'est-à-dire 1 bar. Si on descend à nouveau de -10 m, la pression augmentera à nouveau de 1 bar.
Comment répartir la pression du mieux possible?
La première idée qui peut venir à l'esprit lorsqu'on parle de créer une infrastructure sous-marine, est le dôme. En approfondissant le sujet et en étudiant les différents aspects que suggère une telle idée, nous avons découvert que l'idée d'une voûte (comme il est d'usure dans les sous-marins) immergée serait plus envisageable. En effet, cette strucutre procure un avantage important du point de vu de la pression, car cette disposition permet d'équilibrer sur l'ensemble de la surface les forces pressantes.
Quelle est la résistance des matériaux face à la pression?
Acier 240 MPa soit 2 400 bar
Béton 400 MPa soit 4 000 bar
Vis et boulons 15MPa à 30MPa soit 150 à 300 bar
Notez que les résulats ci-dessus, ne sont pas totalements fiables puisque de tels valeurs changent constament en fonction de le composition, notamment pour le béton.
Les trois matériaux ci-dessus, sont aujourd'hui la base de tout édifice grâce à leur forte solidité. Il est donc essentiel de les intégrer à notre projet. On sait que la pression de l'eau varie en fonction de la profondeur : 1bar tous les 10m de profondeur, or la résistance maximale obtenue pour les matériaux d'assemblage, c'est-à-dire les vis et les boulons résistent à une pression de 150 à 300 bar (matériau le plus fragil de ceux proposés). Par conséquent, une infrastructure sous -marine ne serait possible à une profondeur maximale de 1 500m-3000m. A partir de la tomographie sismique ci-dessous, il est possible de distinguer la profondeur des océans et ainsi délimiter les zones ou un tel projet serait imaginable.
Dès le moyen-âge, ce procédé était déjà utilisé lors de l'édification des églises gothiques. Les voûtes de la cathédrale du Mans en sont le premier exemple.
La difficulté d'obtenir des résultats fiables ne nous permet de répondre à la question "peut on batir une infrastucture sous-marine?" Ainsi, nous ne pouvons affirmer ou infirmer cette hypothèse. Simplement, nous pouvons dire que de nombreuses solutions permettant de lutter contre le problème de corrosion sont possibles tel que la galvanisation, par exemple, qui est déjà très répendu aujourd'hui. Nous pouvons aussi affimer que bâtir un dôme sous-marin est une des meilleurs idées puisque cette disposition permet d'équilibrer les forces pressantes (l'eau sur l'exterieur du dôme) et les forces sortantes (air sur l'interieur du dôme). La difficulté pour obtenir des valeurs de résistance maximale à la pression ne nous ont pas permis d'être précis dans nos calculs, cependant, certaines zones d'habitations possibles se sont tout de même déssinées.