Durabilité des océans

À l'heure où les océans sont sujets à des problématiques écologiques majeures, les technologies 3D permettent de booster la recherche de solutions.

Dan Headrick
18 December 2020

8 minutes

Les océans couvrent 75 % de la surface de la Terre. Ils sont une source de nourriture, impactent les conditions météorologiques et influencent des courants complexes qui refroidissent la planète. Mais ils restent en grande partie un mystère. À l'heure du changement climatique, de la pollution et de la croissance démographique, la course est lancée pour parvenir à une gestion plus intelligente des océans. De plus en plus, les chercheurs utilisent la modélisation et la simulation 3D pour booster leurs avancées.

Au centre des cinq grands gyres océaniques de la Terre se trouvent d'immenses zones de déchets flottants : bouteilles en plastique, matériel de pêche abandonné et microparticules de plastique qui s'accumulent tel un smog, à quelques mètres sous la surface. Près de 2 000 milliards de morceaux de plastique dérivent sur des millions de kilomètres carrés d'océan, dans toutes les directions, et leur nombre augmente jour après jour.

Mais les chercheurs ont peut-être enfin trouvé un moyen d'éliminer ces continents de déchets. En octobre 2019, après des années de recherche,The Ocean Cleanup, un organisme à but non lucratif basé aux Pays-Bas, a annoncé que son prototype de dispositif de récupération des déchets flottants avait rempli sa mission dans la plus grande zone, le vortex de déchets du Pacifique Nord.

Près de 2 000 milliards de morceaux de plastique s'accumulent, tel un smog sous la surface de l'océan, dérivant sur des millions de kilomètres carrés dans les cinq grands gyres océaniques de la Terre. Pour les capturer efficacement, The Ocean Cleanup a utilisé la technologie de simulation et de modélisation 4D, un atout majeur dans son vaste arsenal d'outils de conception et de test. (Image © The Ocean Cleanup)

La barrière autonome en forme de U de The Ocean Cleanup fonctionne à l'énergie solaire et est dotée d'un filet formant une « jupe », suspendu sous la surface, qui se déplace avec le courant et récolte le plastique, tandis que les poissons et les mammifères marins peuvent nager en toute sécurité sous le filet. Bien que partant d'un concept simple, le système de capture s'est avéré difficile à construire. Il aura fallu sept ans, 273 maquettes, six prototypes en mer, 30 navires, un avion, une toute première cartographie complète de la zone de déchets ciblée et une étude de quatre mois sur l'impact de l'invention sur la vie marine.

Les premières expériences de modélisation 3D du système de collecte étaient rudimentaires. Elles utilisaient des sphères parfaites pour prédire la manière dont les déchets et le barrage interagiraient. Mais les chercheurs se sont rapidement rendu compte que la forme, la composition et la taille des véritables déchets flottants étaient variées, et que le barrage et les détritus se déplaçaient à deux vitesses différentes, contrairement à l'hypothèse formulée lors de la simulation.

À mesure que les chercheurs en ont appris davantage sur les déchets ciblés et l'hydrologie océanique dans la région, une modélisation 4D plus précise (la 4ème dimension étant le temps) de ces minuscules points de données a contribué à booster le développement du système 001/B. Ce système collecte non seulement les déchets visibles, mais est également plus efficace que prévu, car il est capable de recueillir les microparticules de plastique.

Le long voyage de The Ocean Cleanup jusqu'à l'annonce du lancement de la première opération montre également l'évolution des relations entre la modélisation virtuelle 3D et le travail mené pour préserver les océans. Chaque nouvel essai ajoute des données océaniques à celles déjà disponibles, et chaque nouvelle information améliore le logiciel de simulation utilisé pour faire progresser la recherche, réduire les coûts et optimiser les tests de nouvelles technologies. L'objectif ? Lutter contre la dégradation rapide des environnements océaniques.

« À l'avenir, la modélisation, la simulation et la visualisation intensives des océans seront de plus en plus utilisées, en raison de l'urgence et de la complexité de la situation », affirme Vincent Rigaud, responsable de l'Unité Systèmes sous-marins et directeur de l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer). « Les tests et les qualifications en mer sont très coûteux. L'utilisation de modèles 4D constitue un facteur de compétitivité et un enjeu majeur pour optimiser les coûts et l'efficacité de ces programmes. »

Un océan de solutions

The Ocean Cleanup n'est pas le seul à utiliser la modélisation et la simulation 3D et 4D pour tenter de comprendre les océans. Le parc éolien de Block Island, premier parc éolien commercial offshore aux États-Unis, se trouve à 6 kilomètres au large de la côte du Rhode Island. Le système à 5 turbines de 30 mégawatts a débuté ses opérations en décembre 2016, et a fait des émules : des projets offshore similaires pourraient générer 12 gigawatts d'énergie au cours de la prochaine décennie.

« Pour [développer] tout cela avant de débuter la conception, il fallait des données », explique Jerry Sgobbo, directeur général de Dive Technologies, une start-up basée à Boston qui développe des véhicules sous-marins autonomes (AUV) et des sous-marins robotisés, avec le soutien de SeaAhead, une « benefit corporation » (entreprise reconnue d'intérêt pour la société) travaillant avec les start-ups, axées sur la conception de solutions innovantes pour relever les défis du développement durable en mer. « Nous espérons que nos flottes de véhicules serviront à l'exploration scientifique dans les zones plus profondes du Pacifique et de l'Atlantique. Une fois ce stade atteint, nous pourrons collecter des données plus efficacement. »

Le modèle d'entreprise de Dive Technologies est entièrement innovant. La plupart des AUV sont des véhicules tout-en-un extrêmement coûteux, construits à la main dans des laboratoires de recherche universitaires pour des projets spécifiques, qui ne sont ensuite plus utilisés. Dive Technologies espère changer ce mode de fonctionnement, source de gaspillage, en utilisant la modélisation 3D pour créer des AUV réutilisables, pouvant être configurés et reconfigurés à plusieurs reprises afin de répondre à différents besoins de recherche. L'entreprise compte louer ses véhicules aux chercheurs, puis les reconfigurer pour un prochain projet.

« Nous utilisons les solutions logicielles 3D pour nous adapter aux charges importantes, transformer le revêtement extérieur ou calculer l'hydrodynamique et la dynamique des fluides computationnelle. Toutes les conceptions doivent pouvoir être fabriquées, et nous avons réduit à quelques semaines le temps nécessaire pour obtenir un modèle qui puisse l'être. Dans ce domaine, il est essentiel de travailler rapidement. »

Jerry Sgobbo
, directeur général, Dive Technologies

Dive Technologies utilise la modélisation 3D pour concevoir des modèles de base d'AUV, puis les équiper rapidement pour différentes applications, en prédisant virtuellement les performances des capteurs, la puissance du système et les profils de flottabilité. Le logiciel 3D aide les concepteurs à optimiser rapidement la conception de chaque AUV (ou à reconcevoir un AUV existant) pour l'adapter à la tâche planifiée.

« Nous ne fabriquons pas nos véhicules de manière traditionnelle », explique Jerry Sgobbo. « Nous utilisons les solutions logicielles 3D pour nous adapter aux charges importantes, transformer le revêtement extérieur ou calculer l'hydrodynamique et la dynamique des fluides computationnelle. Toutes les conceptions doivent pouvoir être fabriquées et nous avons réduit à quelques semaines le temps nécessaire pour obtenir un modèle qui puisse l'être. Dans ce domaine, il est essentiel de travailler rapidement. »

L'ÉDUCATION FACE À L'URGENCE

Si la rapidité est essentielle, l'éducation l'est aussi. La 3D joue, à ce niveau-là encore, un rôle majeur. Pour obtenir les financements et les autorisations dont les chercheurs ont besoin afin d'étudier le rôle des océans dans les processus planétaires, les chercheurs savent que la classe politique et le public doivent comprendre les enjeux.

En 2019, des parlementaires des pays du G7 se sont rassemblés près de la rade de Brest et ont plongé dans une cheminée hydrothermale et un abîme océanique – en réalité virtuelle (VR). L'expérience, organisée par l'Ifremer, a été conçue pour sensibiliser tout un chacun aux problématiques urgentes des milieux océaniques. (Image © Ifremer/O Dugornay)

En août 2019, des parlementaires d'Allemagne, du Canada, des États-Unis, de France, d'Italie, du Royaume-Uni et du Japon (tous faisant partie du G7) se sont rassemblés près de la rade de Brest et ont plongé dans une cheminée hydrothermale et un abîme océanique – non pas en combinaison de plongée, mais en réalité virtuelle (VR). L'expérience, qui a eu lieu lors d'une rencontre à l'Ifremer, leur a permis d'en apprendre davantage sur la recherche, les nouvelles découvertes de médicaments dérivés d'organismes marins, la lutte contre la pollution et les mises à jour des lois et réglementations régissant la pêche, le transport maritime et le développement offshore.

« On ne connaît qu'un faible pourcentage des fonds marins et de leur biodiversité, et l'écosystème est en train de changer. Le travail scientifique qu'il est nécessaire de déployer est donc urgent et nécessaire. »

Vincent Rigaud
, directeur de l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Ifremer)

Lors de leur plongée virtuelle, les ministres du G7 ont visité des zones accessibles dans la vie réelle uniquement avec un submersible capable de résister aux pressions intenses des grandes profondeurs océaniques. Là, ils auraient peut-être pu voir cette étoile de mer, photographiée par l'Okeanos Explorer, le navire de la NOAA (Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique) dans les profondeurs du sanctuaire marin Hohonu Moana, à l'aide d'un submersible en eaux profondes télécommandé.

Avec ses 26 sites, l'Ifremer fait partie des dizaines de centres océanographiques à travers le monde qui gèrent des flottes de navires et de sous-marins, de planeurs, d'avions, de satellites et de réseaux d'observatoires autonomes en mer, qui surveillent les littoraux, les océans et les fonds marins. Les chercheurs de l'institut tentent de collecter le plus de données possible, mais également de les interpréter et de les traduire en actions pour préserver les mers, cartographier et gérer les ressources minérales et énergétiques, et développer la pêche et l'aquaculture durables.

Le temps compte et est de plus en plus précieux. Pour booster les avancées dans le domaine, Vincent Rigaud mise sur l'expérience du G7 pour développer un environnement 3D immersif pouvant être utilisé pour la téléprésence, la télémaintenance, la réalité augmentée, la conception et l'enseignement. L'environnement devrait être prêt d'ici 2022 et sera relié par satellite à des navires et des observatoires maritimes pour la téléscience en temps réel.

Qu'auraient pu voir les ministres du G7 lors de leur plongée virtuelle ? Le navire de la NOAA, l'Okeanos Explorer, a photographié cette étoile de mer dans les profondeurs du sanctuaire marin Hohonu Moana, avec un submersible en eaux profondes télécommandé. (Image du National Marine Sanctuaries, NOAA – Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique, Hohonu Moana 2016, via Wiki Commons)

Cet « océan digital mondial », comme le décrit Vincent Rigaud, associé à la collecte de données effectuée via l'IoT « va augmenter notre capacité de surveillance des océans, notamment grâce à l'utilisation d'animaux marins bioconnectés », explique-t-il. « Coupler des modèles virtuels 3D à des situations réelles au sein d'environnements immersifs pour qualifier et optimiser les conceptions et les opérations est essentiel. »

Découverte et rapidité sont d'égale importance, dans un contexte où les tensions sur les océans se multiplient, explique M. Rigaud. « On ne connaît qu'un faible pourcentage des fonds marins et de leur biodiversité, et l'écosystème est en train de changer. Le travail scientifique qu'il est nécessaire de déployer est donc urgent et nécessaire » ajoute-t-il.

Projet Mission Océan

Aux côtés du ministère français de l'Éducation nationale, à l'ONISEP, au réseau Canopé et à l'Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer, la Fondation Dassault Systèmes a lancé le projet Mission Océan. Le but ? Permettre aux collégiens et lycéens d'apprendre différemment, grâce à des « mondes virtuels », avec des modélisations 3D, des expériences de réalité virtuelle et des simulations digitales.

Le projet Mission Océan a été pensé pour aider les élèves à découvrir les océans, à explorer de nouvelles pistes de recherche, à bénéficier de l'expertise des professionnels de l'industrie et de la recherche, et à développer des projets pour aider à préserver les océans. Au cours des trois prochaines années, 10 enseignants collaboreront pour développer du contenu éducatif 3D et des modules d'expérience pour ces étudiants, autour des principales problématiques relatives à l'environnement océanique, ainsi que sur les métiers qui soutiennent la préservation et la connaissance des océans.

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