Une équipe de recherche de l'Université de Bonn en Allemagne a récemment annoncé un nouveau filtre pour machine à laver inspiré de la structure de l'arc branchial des poissons. Lors d'expériences, il peut éliminer plus de 99 % des fibres plastiques des eaux usées des machines à laver, offrant ainsi une solution technique prometteuse pour réduire la pollution microplastique. Les résultats pertinents ont été publiés dans la revue « npj Emerging Contaminants ». Elle a déposé une demande de brevet en Allemagne et promeut la mise en place de brevets au sein de l'Union européenne.
On pense que les microplastiques, qui désignent généralement des particules ou des fibres de plastique extrêmement petites, présentent des risques à long terme pour la santé humaine et animale. Des recherches soulignent qu'une seule machine à laver pour une famille de quatre personnes peut rejeter chaque année jusqu'à environ 500 grammes de microplastiques dans l'environnement, dont la plupart proviennent de l'usure des textiles pendant le processus de lavage. Ces particules pénètrent dans les stations d'épuration avec les eaux usées, et la plupart restent piégées dans les boues, qui sont souvent épandues sur les terres agricoles comme engrais, ce qui entraîne la propagation des fibres plastiques dans le sol et dans les écosystèmes plus larges.
En réponse à ce problème, de nombreux fabricants ont commencé à explorer des voies techniques pour intercepter les microplastiques au niveau des ports des machines à laver. Cependant, les solutions de filtration existantes présentent généralement des inconvénients tels qu'un colmatage facile, une efficacité de filtration insuffisante ou un coût élevé. Le Dr Leandra Hamann de l'Institut de biologie organique de l'Université de Bonn a souligné que certains appareils actuellement sur le marché sont soit rapidement obstrués par des fibres et nécessitent un entretien fréquent, soit que le taux d'élimination des minuscules particules de plastique n'est pas idéal, il est donc difficile de jouer le rôle qui leur revient dans les applications à grande échelle.
Afin de trouver de meilleures solutions d'ingénierie, l'équipe de recherche s'est tournée vers des « conceptions matures » déjà disponibles dans la nature. Ils ont systématiquement examiné les structures filtrantes de divers organismes, en accordant une attention particulière aux poissons qui vivent comme des organismes filtreurs, comme le maquereau, les sardines et les anchois. Ces poissons nagent par la bouche, introduisent de l’eau dans leur bouche et s’appuient sur leurs systèmes d’arc branchial pour intercepter efficacement le plancton. Alexander Blanc, l'un des chercheurs en charge du projet, a déclaré avoir mené une analyse détaillée de la structure d'alimentation par filtre formée par les arcs branchiaux des poissons au cours de centaines de millions d'années d'évolution et avoir utilisé cette analyse comme base pour concevoir un filtre bionique adapté au traitement des eaux usées des machines à laver.
Chez ces poissons filtreurs, le système de l'arc branchial est dans son ensemble en forme d'entonnoir : l'ouverture est située à une extrémité de la bouche du poisson et se rétrécit progressivement vers l'œsophage. La paroi de l'entonnoir est composée d'une série d'arcs branchiaux. Ces squelettes en forme d'arc sont répartis avec des branchies en forme de peigne et leurs surfaces sont recouvertes de petits « denticules » qui forment ensemble une structure de tamis continue en forme de maillage. Lorsque le poisson se nourrit, l'eau traverse cette paroi perméable de l'entonnoir et est excrétée par les branchies, tandis que les particules de plancton plus grosses sont piégées à l'intérieur de l'entonnoir par la structure maillée.
En raison de la conception de la forme de l'entonnoir et de la direction du flux d'eau, ces particules piégées ne bloqueront pas la surface du tamis, mais rouleront le long de la paroi interne de l'entonnoir et convergeront finalement à l'entrée de l'œsophage, où elles sont « vidées » en même temps lorsque le poisson avale, obtenant ainsi un auto-nettoyage naturel. L'équipe de recherche a souligné que ce mécanisme de travail de « filtration à flux croisés » présente les deux avantages d'une efficacité de filtration élevée et d'une résistance au colmatage, ce qui correspond exactement aux caractéristiques requises par un filtre microplastique idéal. Par conséquent, ils se sont concentrés sur la reproduction de cette géométrie d’entonnoir et de cette structure de maillage dans la conception bionique, permettant aux fibres de rouler le long de la surface du filtre au lieu d’entrer en collision frontale, réduisant ainsi considérablement le risque de colmatage.
En termes de mise en œuvre technique spécifique, l'équipe a copié les paramètres géométriques clés du système d'arc branchial du poisson, et a systématiquement ajusté et combiné l'optimisation de l'ouverture de l'écran et de l'angle d'ouverture de l'entonnoir. Les chercheurs ont utilisé une combinaison d’expériences et de simulations informatiques pour trouver un ensemble de combinaisons de paramètres capables de piéger la plupart des fibres microplastiques sans provoquer de colmatage rapide. Les résultats montrent que dans ces conditions de conception, le filtre peut éliminer plus de 99 % des microplastiques présents dans les eaux usées des machines à laver, et que la structure entière ne nécessite pas de composants mécaniques complexes, ce qui la rend adaptée à une fabrication par lots à faible coût.
Le nouveau filtre est conçu comme un composant indépendant pouvant être intégré à l'intérieur de la machine à laver. L'élément filtrant central est chargé de simuler le système d'entonnoir et de tamis de l'arc branchial, tandis que la coque extérieure facilite le nettoyage régulier et la connexion avec l'ensemble du pipeline de la machine. Pendant le fonctionnement, les fibres de plastique piégées s'accumuleront dans la zone de sortie du filtre et seront éliminées par aspiration à une fréquence plus élevée pour éviter une nouvelle accumulation et un reflux. La recherche envisage que le back-end puisse comprimer ces fibres humides en briquettes de plastique à faible teneur en eau grâce à la compression mécanique et à d’autres méthodes. Les utilisateurs n'ont besoin de les retirer qu'une seule fois après des dizaines de lavages et de jeter les particules solides avec les ordures ménagères ordinaires.
Actuellement, cette technologie a déposé une demande de brevet en Allemagne et favorise une protection plus large de la propriété intellectuelle au niveau de l'UE. Outre l'Université de Bonn, l'Institut Fraunhofer pour les technologies de l'environnement, de la sécurité et de l'énergie (UMSICHT) est également profondément impliqué dans le projet. Les travaux de transformation correspondants sont soutenus conjointement par le centre de transfert enaCom de l'Université de Bonn et PROvendis, l'agence de services de transfert technologique du réseau universitaire de NRW. L'équipe de recherche espère que les fabricants d'appareils électroménagers pourront intégrer ce type de filtre bionique dans les générations futures de machines à laver afin de réduire considérablement les émissions de microplastiques textiles à la source et de fournir une voie d'ingénierie directe et réalisable pour alléger le fardeau des microplastiques sur l'environnement.
La communauté scientifique a émis des avertissements ces dernières années selon lesquels les microplastiques présents dans l’environnement pourraient constituer des menaces graves, voire à long terme, pour la santé du corps humain. Des analyses pertinentes ont révélé la présence de particules microplastiques dans le lait maternel, le placenta et même les tissus cérébraux, suscitant une inquiétude généralisée du public quant à leur toxicité potentielle et leurs effets cumulatifs chroniques. Dans ce contexte, la réduction des émissions de microplastiques à la source est considérée comme aussi essentielle que la gouvernance en aval, et la « solution bionique » dérivée des arcs branchiaux des poissons reflète la valeur unique de l'inspiration naturelle dans la technologie environnementale.
Compilé à partir de /ScitechDaily