Une nouvelle étude de l’Université Northwestern a prouvé de manière systématique qu’une légère coupure d’électricité peut renforcer un littoral marin pendant des générations, réduisant ainsi considérablement la menace d’érosion face au changement climatique et à la montée du niveau de la mer.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont inspirés des palourdes, des moules et d’autres formes de vie marine vivant dans des coquillages, qui utilisent des minéraux dissous dans l’eau de mer pour construire leurs coquilles.
De la même manière, les chercheurs ont exploité les mêmes minéraux dissous naturellement présents pour former un ciment naturel entre les grains de sable imbibés de mer. Mais, au lieu d’utiliser l’énergie métabolique comme le font les mollusques, les chercheurs ont utilisé l’énergie électrique pour stimuler la réaction chimique.
Lors d’expériences en laboratoire, un léger courant électrique a instantanément modifié la structure du sable marin, le transformant en un solide immobile semblable à de la roche. Les chercheurs espèrent que cette stratégie pourrait offrir une solution durable, peu coûteuse et viable pour renforcer les côtes mondiales.
L’étude, intitulée « Électrodéposition de ciment calcaire à partir d’eau de mer dans des sables siliceux marins », paraît dans la revue Communications Terre & Environnement.
« Plus de 40 % de la population mondiale vit dans des zones côtières », a déclaré Alessandro Rotta Loria, de Northwestern University, qui a dirigé l’étude. « En raison du changement climatique et de l’élévation du niveau de la mer, l’érosion constitue une menace énorme pour ces communautés. En raison de la désintégration des infrastructures et de la perte de terres, l’érosion cause des milliards de dollars de dégâts par an dans le monde entier. Les approches actuelles pour atténuer l’érosion consistent à construire des structures de protection ou à injecter des liants externes dans le sous-sol. »
« Mon objectif était de développer une approche capable de changer le statu quo en matière de protection côtière, une approche qui ne nécessiterait pas la construction de structures de protection et qui pourrait cimenter les substrats marins sans utiliser de ciment. En appliquant une légère stimulation électrique aux sols marins, nous avons prouvé de manière systématique et mécanique qu’il est possible de les cimenter en transformant les minéraux naturellement dissous dans l’eau de mer en liants minéraux solides, un ciment naturel. »
Rotta Loria est professeur adjoint Louis Berger de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Andony Landivar Macias, ancien doctorant dans le laboratoire de Rotta Loria, est le premier auteur de l’étude. Steven Jacobsen, minéralogiste et professeur de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, est également co-auteur de l’étude.
Les digues s’érodent également
De l’intensification des pluies torrentielles à la montée du niveau de la mer, le changement climatique a créé des conditions qui entraînent une érosion progressive des côtes. Selon une étude de 2020 du Centre commun de recherche de la Commission européenne, près de 26 % des plages de la planète seront emportées d’ici la fin du siècle.
Pour pallier à ce problème, les communautés ont mis en œuvre deux principales approches : construire des structures de protection et des barrières, comme des digues, ou injecter du ciment dans le sol pour renforcer les substrats marins, en grande partie constitués de sable. Mais de multiples problèmes accompagnent ces stratégies. Non seulement ces méthodes conventionnelles sont extrêmement coûteuses, mais elles ne durent pas non plus.
« Les digues souffrent elles aussi de l’érosion », explique Rotta Loria. « Au fil du temps, le sable sous ces digues s’érode et elles peuvent finir par s’effondrer. Souvent, les structures de protection sont constituées de grosses pierres, qui coûtent des millions de dollars par kilomètre. Cependant, le sable qui se trouve sous elles peut se liquéfier en raison d’un certain nombre de facteurs de stress environnementaux, et ces grosses roches sont englouties par le sol qui se trouve en dessous. »
« L’injection de ciment et d’autres liants dans le sol présente un certain nombre d’inconvénients irréversibles pour l’environnement. Elle nécessite également généralement des pressions élevées et d’importantes quantités d’énergie interconnectées. »
Transformer les ions en colle
Pour contourner ces problèmes, Rotta Loria et son équipe ont développé une technique plus simple, inspirée des coraux et des mollusques. L’eau de mer contient naturellement une myriade d’ions et de minéraux dissous. Lorsqu’un courant électrique léger (2 à 3 volts) est appliqué à l’eau, il déclenche des réactions chimiques. Celles-ci transforment certains de ces constituants en carbonate de calcium solide, le même minéral que les mollusques utilisent pour construire leur coquille. De même, avec une tension légèrement supérieure (4 volts), ces constituants peuvent être principalement transformés en hydroxyde de magnésium et en hydromagnésite, un minéral omniprésent dans diverses pierres.
Lorsque ces minéraux se coalescent en présence de sable, ils agissent comme une colle, liant les particules de sable entre elles. En laboratoire, le procédé a également fonctionné avec tous les types de sables, des sables siliceux et calcaires courants aux sables ferreux, que l’on trouve souvent à proximité des volcans.
« Une fois traité, le sable ressemble à un rocher », explique Rotta Loria. « Il est immobile et solide, au lieu d’être granuleux et incohésif. Les minéraux eux-mêmes sont beaucoup plus résistants que le béton, de sorte que le sable obtenu pourrait devenir aussi solide et résistant qu’un mur de protection contre la mer. »
Si les minéraux se forment instantanément après l’application du courant, des stimulations électriques plus longues produisent des résultats plus substantiels. « Nous avons constaté des résultats remarquables après seulement quelques jours de stimulation », a déclaré Rotta Loria. « Ensuite, le sable traité devrait rester en place, sans nécessiter d’interventions supplémentaires. »
Écologique et réversible
Rotta Loria prédit que le sable traité devrait conserver sa durabilité, protégeant ainsi les côtes et les propriétés pendant des décennies.
Rotta Loria affirme également qu’il n’y a pas lieu de s’inquiéter des effets négatifs sur la vie marine. Les tensions utilisées dans le processus sont trop faibles pour être ressenties. D’autres chercheurs ont utilisé des procédés similaires pour renforcer les structures sous-marines ou même restaurer les récifs coralliens. Dans ces scénarios, aucune créature marine n’a été blessée.
Si les communautés décident qu’elles ne veulent plus du sable solidifié, Rotta Loria a une solution pour cela aussi, car le processus est complètement réversible. Lorsque les électrodes anodique et cathodique de la batterie sont interverties, l’électricité dissout les minéraux, annulant ainsi le processus.
« Les minéraux se forment parce que nous augmentons localement le pH de l’eau de mer autour des interfaces cathodiques », explique Rotta Loria. « Si vous remplacez l’anode par la cathode, des réductions localisées du pH sont alors en jeu, ce qui dissout les minéraux précédemment précipités. »
Coût compétitif, applications innombrables
Ce procédé offre une alternative peu coûteuse aux méthodes conventionnelles. Après avoir fait des calculs, l’équipe de Rotta Loria estime que son procédé ne coûte que 3 à 6 dollars par mètre cube de sol électro-cimenté. Des méthodes comparables plus éprouvées, qui utilisent des liants pour adhérer et renforcer le sable, coûtent jusqu’à 70 dollars pour le même volume unitaire.
Les recherches menées dans le laboratoire de Rotta Loria montrent que cette approche peut également réparer les structures fissurées en béton armé. Une grande partie des infrastructures côtières existantes est constituée de béton armé, qui se désintègre sous l’effet complexe de l’élévation du niveau de la mer, de l’érosion et des conditions météorologiques extrêmes. Si ces structures se fissurent, la nouvelle approche évite de devoir reconstruire entièrement l’infrastructure. Au lieu de cela, une seule impulsion électrique peut réparer des fissures potentiellement destructrices.
« Les applications de cette approche sont innombrables », a déclaré Rotta Loria. « Nous pouvons l’utiliser pour renforcer les fonds marins sous les digues ou pour stabiliser les dunes de sable et retenir les pentes instables du sol. Nous pourrions également l’utiliser pour renforcer les structures de protection, les fondations marines et bien d’autres choses. Il existe de nombreuses façons d’appliquer cette approche pour protéger les zones côtières. »
Ensuite, l’équipe de Rotta Loria prévoit de tester la technique en dehors du laboratoire et sur la plage.
Plus d’informations :
Électrodéposition de ciment calcaire à partir d’eau de mer dans des sables siliceux marins, Communications Terre & Environnement (2024).