Des réseaux de micro-pores contrôlent la ventilation et régulent la température des termitières
Publié par Adrien le 02/04/2019 à 08:00
Source: CNRS INSB
Les termites construisent des nids d'une remarquable complexité architecturale et qui possèdent d'étonnantes propriétés permettant la régulation de la température et le contrôle de la ventilation. Mais les mécanismes responsables de ces propriétés sont encore peu connus. Dans une étude publiée dans la revue Science Advances les chercheursont mis en évidence le rôle fondamental des structures construites par les termites à micro-échelle dans la ventilation des nids mais également dans les échanges thermiques et le drainage de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui fait partie du cycle de l'eau. La pluie se forme...).

L'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) des termitières présente de fascinantes propriétés qui permettent de réguler la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) et qui favorisent la ventilation de l'espace intérieur du nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur progéniture. Les nids sont généralement fabriqués à partir de...). Ces architectures ont attiré l'attention de nombreux chercheurs en éthologie et en sciences des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) mais également d'architectes souhaitant s'en inspirer pour concevoir de nouveaux modèles de bâtiments plus écoénergétiques. Jusqu'à présent notre connaissance des nids de termites se limitait à leur structure à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...) et on ne disposait d'aucune information sur les caractéristiques des structures à micro-échelle ni sur leur rôle potentiel dans le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la ventilation et dans la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) de la température. L'utilisation de techniques d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) multi-échelle aux rayons X combinée à des simulations 3D de champs d'écoulement a permis de mettre en évidence le rôle fondamental joué par ces micro-structures dans les propriétés des termitières.


Figure: L'imagerie multi-échelles par tomographie aux rayons X des nids de termites et la simulation d'écoulements dans ces structures révèle le rôle important des réseaux de micro-pores présents dans la paroi des nids dans la ventilation, la régulation thermique et le drainage de l'eau de pluie. A: tomographie avec une résolution millimétrique ; B: tomographie avec une résolution micrométrique ; C: Simulation d'écoulement 3D au sein de la structure. © K. Singh

L'étude, fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le péricarpe du fruit...) d'une collaboration entre le Centre de Recherches sur la Cognition Animale à Toulouse, l'Imperial College à Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains, la ville est aujourd'hui devenue un centre culturel,...) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Nottingham, a porté principalement sur des nids construits au Sénégal et en Guinée par Trinervitermes geminatus qui ont été numérisés à l'aide de tomographes et micro-tomographes à rayons X. Les images en haute résolution de la paroi du nid ont mis en évidence une caractéristique étonnante de celle-ci: la présence d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) de pores de différentes tailles dans lequel les pores les plus gros sont entièrement connectés créant ainsi un chemin percolant à travers la paroi extérieure jusqu'à l'intérieur du nid. Pour analyser les conséquences fonctionnelles de la présence de ces micro-pores les chercheurs ont réalisé des simulations d'écoulement 3D dans le nid et à travers ses parois selon différents scénarios.

Ces simulations montrent qu'en présence de vents forts à l'extérieur du nid, les pores les plus gros permettent facilement l'échange de CO2 avec l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) extérieure. Mais si la vitesse (On distingue :) du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur...) est faible ou négligeable, les simulations montrent également que le CO2 peut toujours être échangé avec l'atmosphère extérieure par échange diffusif, contribuant ainsi à la ventilation du nid. Les chercheurs ont ensuite étudié l'impact du réseau de pores sur la thermorégulation du nid. Les simulations montrent que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) présent dans les pores réduit la conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de...) effective des parois du nid contribuant ainsi à la thermorégulation du nid. Enfin les chercheurs ont étudié l'impact d'averses de pluie sur le réseau de pores. Le matériel utilisé pour la construction des parois des nids est généralement hydrophile. Ainsi, l'eau ruisselant à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) d'un nid est rapidement absorbée. Mais les expériences réalisées et des simulations d'écoulement ont montré que grâce aux forces de capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre, ou quand les éponges...), l'eau se propage rapidement des pores les plus gros aux plus petits, ce qui assure un drainage très efficace. Une fois drainés, les pores sont alors immédiatement disponibles pour assurer de nouveau la ventilation du nid.

Ces résultats constituent une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes intervenant dans le contrôle de la ventilation, dans la régulation thermique et dans le drainage de l'eau de pluie. Ils mettent en évidence le rôle fondamental joué par le réseau des micro-pores présents dans la paroi des nids de termites dans la régulation de la température des échanges gazeux. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de bâtiments autonomes et écoénergétique.

Vidéo: Simulation tridimentionnelle du champs d'écoulement d'air dans la paroi d'un nid de termites T. geminatus.
© K. Singh Partager Audiodescription (L'audiodescription est une sorte de sous-titrage[1] adapté aux déficients visuels (non-voyants et malvoyants).)

Pour en savoir plus:

The architectural design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production industrielle. Bien qu'il...) of smart (Smart est une société allemande et une marque du groupe DaimlerChrysler créée en 1996 avec l'aide de Swatch Group. Elle construit des voitures de la gamme petite citadine. Les Smarts...) ventilation and drainage systems in termite nests.
Singh, K., Muljadi, B.P., Raeini, A.Q., Jost, C., Vandeginste, V., Blunt, M.J., Theraulaz, G. & Degond, P.
Science Advances 22 Mar 2019 Vol. 5 no 3 DOI: 10.1126/sciadv.aat8520
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