Invention : Les baleines, sources d’inspirations pour des turbines et ventilateurs
Une équipe comprenant un biologiste américain, un ingénieur en aéronautique américano-canadien, et un inventeur/entrepreneur canadien a observé la nature pour arriver à développer des turbines, des ventilateurs et des souffleurs industriels, silencieux et efficaces. Leurs pales de turbine biomimétiques sont conçues selon le principe de la nageoire à tubercules de la baleine à bosse. Elles peuvent contribuer à augmenter de 20% la production d’énergie des éoliennes et de 25% le débit d’air des ventilateurs et des souffleurs industriels.
Les performances aérodynamiques des turbines
ont été considérablement améliorées et leur bruit a été réduit grâce à la
technologie des tubercules développée par le biologiste Frank Fish, l'ingénieur
en aéronautique Philip Watts et le réalisateur, inventeur et entrepreneur
Stephen W. Dewar. L'équipe a fait sa découverte après que Frank Fish a compris
que les tubercules - les petites bosses se trouvant sur le bord d'attaque des
nageoires des baleines à bosses - réduisaient les masses d'air tournant
indésirables appelées vortex, réduisant par là-même la traînée tout en
augmentant simultanément la portance.
Le principe de ces tubercules a remis en cause
l'aérodynamique conventionnelle, qui a longtemps considéré que le bord d'attaque
des hélices, des pales et des turbines devait être aussi lisse que possible
pour limiter la résistance à l'air. Il a été cependant constaté que ces bosses,
positionnées spécifiquement, pouvaient augmenter considérablement les
performances. Transposant cette découverte à la conception des pales
d'éoliennes, des ventilateurs et des souffleurs industriels, l'équipe a créé la
start-up WhalePower qui octroie des licences aux fabricants potentiels.
Bénéfices pour la société
Capable d'augmenter la production d'énergie
des éoliennes de 20% tout en réduisant le bruit et les besoins en maintenance,
cette technologie recèle un énorme potentiel pour le secteur éolien.
Une licence pour ce concept des tubercules de
WhalePower a été accordée à un producteur d'énergie verte, qui a demandé au
German Aerospace Centre (DLR) d'étudier les effets des pales de turbines
équipées de tubercules dans une soufflerie. En plus de réduire le bruit d'au
moins 2 décibels, l'usure des matériaux est réduite de 6-8% et la durée de vie
des composants clés est prolongée de 25% - c'est-à-dire de 3 à 6 années étant donné
que la durée de vie moyenne d'une éolienne est de 12-25 ans.
Pour les applications qui utilisent l'énergie
plutôt que la produire, les pales à tubercules peuvent augmenter la circulation
d'air d'un quart, tout en demandant moins d'énergie. Un important fabricant a
testé un prototype de ventilateur de cartes graphiques informatiques et a
trouvé qu'avec ce concept, l'efficacité était supérieure de 20% à celle du
leader actuel du marché. Cette offre est très attrayante pour l'industrie
informatique car les ventilateurs consomment environ 10% de l'énergie totale de
dispositifs tels que les serveurs.
Avantages économiques
WhalePower fonctionne comme un cabinet de
propriété intellectuelle "virtuel" en ligne qui octroie des licences aux
entreprises qui souhaitent utiliser la technologie dans leur domaine
d'expertise particulier.
L'entreprise a lancé le premier ventilateur
Tubercle Blade HVLS (high-volume low-speed) sur le marché par l'intermédiaire
de son licencié, Envira-North Systems. Appelé Altra Air fan, ce ventilateur
industriel est disponible dans une grande gamme de tailles et dans 38 pays. Ces
ventilateurs silencieux promettent 20 000 heures de fonctionnement sans
maintenance, consomment aussi peu d'énergie qu'un sèche-cheveux classique et
font circuler 25% d'air en plus que les ventilateurs similaires non équipés des
tubercules. Un deuxième fabricant de ventilateurs HVLS, Shanghai Fast Link,
vend également des ventilateurs HVLS équipés de tubercules en Chine.
Sur le marché de l'éolien, il est prévu que
les ventes mondiales passent de 64,5 milliards d'euros en 2015 à 66 milliards
d'euros en 2019. Le marché mondial des ventilateurs et souffleurs industriels
et commerciaux, sur lequel WhalePower a placé son premier produit sous licence,
devrait être égal à 8,5 milliards d'euros en 2022.
Comment ça marche
Frank Fish, grand spécialiste de biomécanique
dans le domaine de la nage des animaux, suppose que l'endurance et la vitesse extraordinaires
de ces gigantesques mammifères que sont les baleines à bosse (qui pèsent
quelque 30 tonnes métriques) pourraient être dues à leurs nageoires, dont le
bord est pareil à des lames de scie. Les premières études réalisées par Frank
Fish sur les nageoires des baleines suggéraient que les bosses des tubercules
amélioraient la portance.
Frank Fish a confirmé ses résultats par un
article qui a attiré l'attention de l'ingénieur en aéronautique Philip Watts.
Les deux hommes ont alors formé une équipe pour approfondir ensemble leurs
recherches sur ce phénomène et voir s'il pouvait avoir des applications
pratiques. Ils ont trouvé qu'une surface portante type devait en fait lutter
contre les turbulences de l'air qu'elle créait sur sa propre extrémité. Ces
vortex (masses d'air tourbillonnantes) réduisaient l'efficacité et créaient du
bruit supplémentaire.
L'équipe a été complétée par un nouveau
membre, Stephen W. Dewar, et WhalePower a été créée pour développer, breveter
et commercialiser le concept de cette nouvelle pale. En ajoutant les bosses que
leur ont inspiré les tubercules, mais qu'ils ont arrondies et fuselées pour
maximiser l'effet aérodynamique et hydrodynamique, ils ont pu augmenter de 40%
la portance des pales tout en assouplissant le décrochage sur ce qu'on appelle
l'angle d'attaque. Ils ont réussi à gagner environ 20% d'efficacité avec des
pales d'éolienne dont le bord avant avait la forme d'un tubercule. Ce bord
d'attaque plus efficace pourrait fonctionner à un pas (ou angle d'incidence du
vent) plus élevé et continuer à produire de l'énergie dans des conditions de
vent faible.
Inventeurs
Après avoir obtenu son doctorat au département
de zoologie de la Michigan State University en 1980, Frank Fish est devenu
professeur de biologie à la West Chester University de Pennsylvanie, où il est
toujours en poste à la faculté. Il dirige le Liquid Life Laboratory de la West
Chester University et ses recherches sont axées sur l'énergétique et
l'hydrodynamique de la locomotion aquatique des vertébrés avec des applications
biomimétiques. Les travaux de Frank Fish dans la biomécanique de la propulsion
des mammifères en milieu aquatique ont été financés par la Defence Advanced
Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation et l'Office of
Naval Research américains. Frank Fish a été professeur à l'université,
scientifique chercheur et inventeur pendant plus de quarante ans. Il a publié
plus de 150 articles de recherche, rapports gouvernementaux et chapitres de
livres.
Depuis l'obtention de son doctorat en
ingénierie environnementale à l'Institute of Technology de Californie en 1997,
Philip Watts a développé et breveté ses avancées dans le domaine de l'éolien et
il a été cadre dirigeant dans plusieurs entreprises éoliennes. Il est
actuellement PDG de ReSource Renewable Energy, Inc. Il a été vice-président de
R&D à WhalePower, où il a conçu une pale d'éolienne avec un ratio
portance-traînée élevé. Philip Watts a également publié des articles
scientifiques sur l'aérodynamique du vol de la chauve-souris et des astronautes
en mouvement dans les stations spatiales. Il a rédigé plus de 70 publications
scientifiques et rapports pendant les quatorze années où il a été chercheur.
Inventeur et entrepreneur prolifique, Stephen
W. Dewar s'intéresse aux publications comme au journalisme scientifiques. Il a
d'abord entendu parler des succès que rencontraient les recherches de Frank
Fish et Philip Watts dans l'émission Quirks
and Quarks de la radio CBC, et il est devenu partenaire de l'entreprise. Il
a passé les trente dernières années à écrire, diriger et produire des centaines
de documentaires pour la radio et la télévision ainsi que des drames et des
comédies pour la Canadian Broadcasting Corporation, le National Film Board of
Canada, CTV et CBS.
Le saviez-vous ?
De nombreux inventeurs se
sont penchés sur le biomimétisme et l'utilisation de la nature pour trouver de
nouvelles idées ou améliorer leurs inventions. Des millions d'années
d'évolution représentent un socle solide pour de nouvelles conceptions dans de
nombreux domaines de la technologie.
Parmi les précédents
gagnants du Prix de l'inventeur européen dont les inventions sont inspirées de
la nature, on compte Peter
Holme Jensen, Claus Hélix-Nielsen et Danielle Keller (2014 ; PMS) pour leur
méthode éco-énergétique de purification de l'eau basée sur les aquaporines et Adnane
Remmal (2017 ; Prix populaire) pour ses antibiotiques améliorés en huiles
essentielles. Parmi les finalistes dont les inventions relèvent de la
biomimétique, on compte le maillot de bain conçu par Fiona
Fairhurst, basé sur la peau du requin (2009 ; Industrie) et la turbine à
fluide rotatif inventée par Miroslav
Sedláček (2016 ; Recherche).
