Résumé :
Des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Zurich ont développé une nouvelle technologie de fabrication de matériaux de construction qui utilise des bactéries vivantes pour combiner des grains de sable en vrac en composants de construction solides. Contrairement à la production traditionnelle de ciment, qui consomme beaucoup d'énergie et est cuite à des températures élevées, cette technologie, appelée biocimentation, peut achever la solidification minérale à température ambiante et devrait fournir une solution de fabrication de matériaux plus respectueuse de l'environnement pour l'industrie de la construction.
Le ciment est l'un des matériaux de base les plus importants dans l'industrie de la construction moderne, mais la production du ciment Portland traditionnel nécessite de chauffer les matières premières à des températures élevées, ce qui consomme beaucoup d'énergie et produit des émissions considérables de dioxyde de carbone. Par conséquent, trouver des matériaux alternatifs capables de réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone a toujours été une direction importante dans le domaine de la recherche sur les matériaux de construction. L'idée centrale de cette recherche n'est pas de repenser le processus traditionnel de cuisson du ciment, mais d'utiliser les activités métaboliques des micro-organismes eux-mêmes pour former des minéraux naturels entre les grains de sable et combiner les particules initialement lâches en un tout doté d'une certaine force.
La bactérie utilisée par l'équipe de recherche s'appelle Sporosarcina pasteurii. Dans de bonnes conditions, cette bactérie peut favoriser la formation de carbonate de calcium. Le carbonate de calcium est largement présent dans les matériaux naturels tels que le calcaire, la craie et les coquillages. Lorsqu’il précipite et forme de minuscules cristaux entre les grains de sable, il agit comme un liant minéral, reliant les grains de sable entre eux pour former un matériau solide doté d’une certaine résistance.
Ce processus est appelé précipitation de carbonate de calcium induite par des microbes, ou MICP, et est également connu sous le nom de technologie de biocimentation. Auparavant, les chercheurs ont essayé de l’utiliser dans des domaines tels que le renforcement des sols, la stabilisation des fondations et la réparation des fissures du béton. La particularité de cette recherche de l'ETH Zurich est qu'elle tente de transformer directement le sable en matériaux de construction indépendants, plutôt que de simplement utiliser des bactéries pour améliorer les propriétés des matériaux existants.
L'équipe de recherche, dirigée par Karen Antorveza Paez, a proposé deux méthodes de fabrication. La première méthode combine la technologie de biocimentation et l’impression 3D. Les chercheurs ont développé une bio-encre spéciale contenant de l’eau, du sable, des bactéries vivantes et des ingrédients chimiques associés. Le mélange a une consistance semblable à un gel et peut être moulé dans des formes prédéterminées à l’aide d’un équipement d’impression 3D pour créer des composants de construction structurellement complexes.
Après l'impression, les composants doivent être immergés dans une solution contenant de l'urée et du chlorure de calcium pendant environ trois jours. Au cours de ce processus, les bactéries favorisent la formation de cristaux minéraux qui fusionnent progressivement les grains de sable. Ensuite, les éléments constitutifs sont séchés à température ambiante pendant environ deux jours, les bactéries ne restent plus actives et une structure solide se forme enfin. L'ensemble du processus, de l'impression au durcissement complet, prend jusqu'à cinq jours environ et ne nécessite pas l'utilisation d'équipements de cuisson traditionnels à haute température.
Les chercheurs ont comparé le processus à la cuisson d'un gâteau : le matériau initialement formé reste mou et facilement déformable, nécessitant un traitement ultérieur pour obtenir une structure solide. La différence est que la cuisson traditionnelle repose sur la chaleur pour terminer le durcissement, tandis que cette technologie s'appuie sur des bactéries pour favoriser la production de minéraux et effectuer une transformation similaire à température ambiante.
La deuxième méthode utilise la technologie de pulvérisation robotisée. Le bras robotique pulvérise en séquence du sable, des bactéries et des matériaux nécessaires à la minéralisation sur la surface cible, formant ainsi une structure multicouche par superposition répétée. Au fur et à mesure que le carbonate de calcium se forme, les couches de sable se combinent pour former une surface solide ou un élément de construction. L’équipe de recherche a fait fonctionner le système en continu pendant six mois, démontrant ainsi son potentiel à automatiser le travail et à réduire le recours à une intervention humaine continue.
Les deux méthodes ont leurs propres scénarios applicables. L’impression 3D est plus adaptée à la fabrication de pièces de construction aux formes complexes et aux géométries spécifiques, tandis que la pulvérisation robotisée est plus adaptée aux matériaux de construction couche par couche en surface. L'équipe de recherche a utilisé cette technologie pour créer des éléments de façade de bâtiment, qui devraient être utilisés à l'avenir dans des éléments de construction tels que des installations d'ombrage et des cloisons de séparation.
Cependant, cette technologie est encore loin d’être appliquée commercialement à grande échelle. Un problème important concerne les sous-produits du processus de fabrication. Les solutions minéralisées utilisées dans les méthodes d'impression 3D produisent des substances à base d'ammonium qui peuvent être nocives pour l'environnement si elles ne sont pas manipulées correctement. Les chercheurs doivent trouver des méthodes efficaces de recyclage ou de neutralisation pour augmenter davantage la production, sinon les avantages environnementaux de ce matériau pourraient être limités.
La résistance des matériaux est également un problème clé qui doit être résolu. À l’heure actuelle, l’équipe de recherche estime que ce type de biociment est plus proche du mortier qu’un matériau de structure pouvant remplacer directement le béton porteur. Le mortier est principalement utilisé pour coller les briques et remplir les joints, tandis que le béton est largement utilisé dans les structures porteuses telles que les planchers, les colonnes et les fondations. Pour utiliser le biociment dans un plus large éventail de projets de construction, une vérification plus approfondie de ses propriétés mécaniques, de sa durabilité à long terme et de sa stabilité dans différentes conditions environnementales est nécessaire.
De plus, la taille des grains de sable et la façon dont les grains sont disposés affectent les propriétés du matériau final. Les chercheurs étudient toujours comment obtenir une résistance et des propriétés structurelles plus stables en ajustant les matières premières et les paramètres de fabrication. Cela signifie que les recherches futures devront non seulement améliorer le processus de minéralisation induite par des bactéries, mais également établir des normes de conception de matériaux et de contrôle qualité adaptées aux différentes utilisations de la construction.
Malgré ces limites, cette recherche démontre une nouvelle direction dans la fabrication de matériaux de construction : convertir des matériaux granulaires naturels en composants de construction dotés de formes et de propriétés spécifiques en utilisant des micro-organismes pour guider la croissance des minéraux entre les particules. Si des problèmes tels que le traitement des sous-produits, la résistance des matériaux et la production à grande échelle peuvent être résolus à l'avenir, la technologie de biocimentation devrait être appliquée à la production de certains mortiers et composants de construction traditionnels, réduisant ainsi la dépendance à l'égard de processus de fabrication à forte consommation d'énergie.
Par rapport au remplacement direct du béton traditionnel, un objectif plus réaliste à court terme de cette technologie est d'entrer d'abord dans des domaines d'application tels que les composants non porteurs principaux et les matériaux de surface des bâtiments. Les résultats de l'équipe de recherche montrent que les bactéries peuvent non seulement participer au renforcement des sols et à la réparation des bâtiments, mais peuvent également devenir un outil pour fabriquer de nouveaux matériaux de construction, offrant ainsi une autre voie technique pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de carbone dans l'industrie de la construction.
Commentaires