Des Calculs pour de l'Eau Potable (WCG)

Comprendre les propriétés à l'échelle moléculaire d'une nouvelle classe de matériaux de filtration d'eau.

INSCRIPTION

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URL du projet : http://www.worldcommunitygrid.org/

OS / Clients :

Applications optimisées : Aucune

Code source : Fermé

Introduction

Mission

Importance

A propos du projet

Le World Community Grid et les chercheurs du récent Centre des nouveaux mécanismes multidisciplinaires de l'université de Tsinghua collaborent pour comprendre les propriétés à l'échelle moléculaire d'une nouvelle classe de matériaux de filtration d'eau efficaces et peu coûteux, capables de répondre à la demande d'eau potable bon marché dans les pays en voie de développement.

L'eau potable est souvent comparée au pétrole, en tant que ressource limitée souvent gaspillée au cours des dernières décennies et de plus en plus chère à produire.Les sources d'eau potable, notamment les aquifères, s'épuisent à un rythme considérable dans de nombreuses parties du monde. Avec la croissance de la population mondiale, cette situation ne fera qu'empirer et peut se voir exacerbée par le changement climatique.

Selon un récent rapport spécial sur l'eau publié dans The Economist, la proportion de la population qui vit dans des pays manquant régulièrement d'eau passera de 8% du total à l'entrée du XXIe siècle à 45% en 2050, soit alors 4 milliards de personnes.

Même si tous les enfants scolarisés savent que notre planète est principalement recouverte d'eau, la majeure partie de cette eau (97%) est salée et peut uniquement devenir potable via un processus coûteux de dessalement. Des maigres 3% d'eau non salée, 70% sont gelés aux pôles. A l'exception du monde marin, tous les animaux de la planète doivent survivre avec moins d'1% de toute l'eau disponible.

Dans certaines parties du monde où l'eau est une denrée rare et la densité de la population élevée, le manque d'accès à de l'eau potable est une cause principale de maladies comme la diarrhée, laquelle peut entraîner une malnutrition. Chez l'enfant, la malnutrition est liée aux problèmes de santé qui altèrent la productivité. Dans certains pays, on estime que l'impact à long terme de la diarrhée peut représenter 4 à 5% du PIB.

C'est pourquoi un grand nombre de scientifiques concentrent leurs efforts à trouver de nouveaux modes de production d'eau potable à partir d'eau contaminé ou salée. La purification de l'eau suppose normalement plusieurs étapes, éventuellement basées sur des principes physiques (filtres à sable), chimiques (chloration), voire biologiques (étangs de traitement).

Filtration sous pression

Un type courant de système de purification d'eau consiste à pressuriser l'eau afin de la faire passer par des membranes aux pores microscopiques. Tel est le cas des fameuses membranes d'ultrafiltration, servant à filtrer les substances dissoutes qui passeraient à travers des filtres à sable plus grands.

Il s'agit aussi du principe derrière le processus connu comme osmose inverse pour produire de l'eau douce à partir d'eau salée. L'osmose inverse demande une pression mécanique externe pour contrer la pression osmotique se produisant à travers les membranes semi-perméables qui empêchent le passage du sel. En l'absence de pression externe, un équilibre est atteint entre l'eau douce de pression élevée d'un côté de la membrane et l'eau salée de basse pression de l'autre côté.

L'osmose inverse requiert normalement des pressions de dizaines d'atmosphères pour dépasser cet équilibre et faire que l'eau douce continue à passer par la membrane. La production de pressions si élevées et des membranes pouvant y résister a un coût élevé. Ceci explique en partie pourquoi l'osmose inverse n'intervient encore que dans une part infime de l'eau potable produite dans le monde.

La nanotechnologie au secours

La nanotechnologie est un mot à la mode employé dans des domaines aussi variés que l'électronique, les énergies renouvelables et les diagnostics médicaux. Les nanotubes de carbone, essentiellement des couches atomiques enroulées de graphite ordinaire (matériau utilisé pour les crayons) représentent l'un des matériaux les plus prometteurs en nanotechnologie.

L'une des fonctions principales de la nanotechnologie est de répondre au fait que les propriétés d'objets et de dispositifs, dont la taille se réduit à l'échelle atomique, ne peuvent plus être extrapolées à partir d'échelles macro et micro, mais qu'elles changent de façon radicale et parfois très positive. C'est le cas de l'eau circulant à travers des structures de nanotubes.

En général, la taille des pores se réduit dans une membrane d'ultrafiltration, et il en va de même pour la quantité d'eau passant par un pore. En fait, le débit diminue énormément, quasiment comme la quatrième puissance du rayon du pore : si la taille du pore se réduit de moitié, le reflux est d'un facteur de 1/16.

Les résultats publiés en 2005 par les chercheurs de l'université du Kentucky ont dans un premier temps montré que tel n'était pas le cas pour le flux à travers des membranes faites de nanotubes de carbone. Les débits mesurés étaient en effet de 1 000 à 10 000 fois plus élevés qu'une extrapolation simple à partir de tailles supérieures de pores aurait suggéré.

Une avancée de cette envergure fait penser que des économies importantes sont possibles en termes de pression nécessaire, et donc de l'énergie intervenant dans le passage de l'eau à travers des filtres faits de nanotubes. De nombreux chercheurs suivent déjà cette ligne et tentent d'élaborer un nouveau type de filtre très efficace et bon marché.

Le chemin menant d'une découverte à l'application pratique est long. L'une des étapes clés sur ce chemin est de comprendre plus en profondeur les origines physiques de ce comportement avancé des nanotubes de carbone en vue d'en tirer un meilleur parti. Tel est précisément l'objectif de la recherche menée au Centre de nouveaux mécanismes multidisciplinaires à l'université de Tsinghua : des simulations sur ordinateur ont permis d'étudier le phénomène à l'échelle de molécules d'eau individuelles, à l'aide d'une technique appelée dynamique moléculaire.

L'histoire jusqu'à présent

Dès 1823, l'ingénieur physicien français Claude-Louis Navier suggérait que, dans des conditions idéales, une force décroissante ou "contrainte de cisaillement" était nécessaire pour faire passer un fluide à travers une surface solide. En d'autres termes, le flux serait sans friction. Cette idée n'a jamais été entièrement vérifiée, mais les meilleurs débits d'eau récemment observés à travers des membranes de nanotubes de carbone font penser que cet effet peut en partie jouer un rôle dans ces systèmes.

A l'aide des simulations dynamiques moléculaires, les chercheurs de l'université de Tsinghua ont récemment découvert qu'il existe une relation logarithmique entre la contrainte de cisaillement dans les nanotubes et la vitesse de déplacement de l'eau, théorie apparemment valide pour une large gamme d'hypothèses sur les propriétés des nanotubes de carbone et de la façon dont l'eau colle à eux (les fameuses propriétés de mouillage de l'interface eau-nanotube).

Cette relation logarithmique semble conserver les vitesses de glissement autour d'1 m/s, limite inférieure de ce qui pourrait être simulé. Si cette relation fonctionne à des vitesses nettement inférieures, typique des conditions réelles dans les expériences avec des filtres à eau à base de nanotubes, elle peut expliquer clairement pourquoi l'eau semble circuler si vite dans les nanotubes.

Même si la limite de vitesse inférieure étudiée par le groupe de l'université de Tsinghua est la plus basse de toutes les études de dynamique moléculaire à ce jour, elle reste à au moins un ordre de grandeur de plus que la limite supérieure de la gamme expérimentale de débits, et à plusieurs ordres de grandeur de plus que les débits attendus dans des dispositifs pratiques appliquant cet effet.

Comment vous et le World Community Grid pouvez faire la différence ?

Sachant que le temps de calcul équivaut environ au carré inverse du débit, les chercheurs de l'université de Tsinghua estiment qu'un temps de calcul de 460 ans sur un ordinateur standard avec un processeur d'un seul coeur est nécessaire pour simuler des débits comparables à la limite supérieure mesurée au cours des expériences. Pour étendre les simulations à des vitesses d'environ 1 cm/s ou moins, propres aux dispositifs pratiques, un autre facteur de 400 ou plus de temps de calcul serait nécessaire, soit un total de 184 000 années. La simulation d'une gamme représentative des tailles de pores des nanotubes de carbone demanderait quand à elle un autre facteur de 10 ou 100, passant le temps de calcul total bien au-delà d'un million d'années.

Sur le plan scientifique, il est crucial d'explorer cette zone de basse vitesse afin de comparer les simulations directement aux expériences, au lieu d'essayer simplement d'extrapoler à partir de simulations à des vitesses supérieures. Ce type d'extrapolation est notamment problématique en raison de la possibilité d'un phénomène non linéaire pouvant se produire à des vitesses inférieures. Par exemple, le phénomène de collé-glissé ("stick-slip") a lieu lors d'un frottement solide lorsque la vitesse baisse et il peut être anticipé pour jouer un rôle dans la couche d'eau en contact avec le nanotube de carbone, car l'eau est connue pour former des cristaux de glace proche de la surface du nanotube de carbone.

En raison des besoins considérables de calculs pour poursuivre cette recherche, de loin supérieurs aux capacités du cluster interne dont dispose l'équipe de l'université de Tsinghua, le World Community Grid et les bénévoles comme vous peuvent marquer une différence cruciale en offrant une puissance de calcul dépassant nettement ce que les chercheurs pourraient espérer.

Le résultat de ce projet permettra non seulement de tester les prédictions de Navier, apportant ainsi un savoir fondamental sur l'hydrodynamique à l'échelle nanométrique, mais aussi d'expliquer en profondeur comment optimiser davantage le déplacement de fluides via les membranes de nanotubes de carbone et d'autres formes de membranes nanométriques.

Plus précisément, l'équipe de l'université de Tsinghua espère mieux comprendre au niveau physique la taille de pores optimum comme fonction du débit, permettant à l'avenir la synthèse et la fabrication de membranes de filtres de nanotubes de carbone, ainsi que de nouvelles approches pour concevoir des systèmes de filtration d'eau peu coûteux.

FAQ du Projet

• Pourquoi l'eau potable est importante ?
• Comment fonctionne l'ultrafiltration ?
• Comment fonctionne l'osmose inverse ?
• Quel résultat concrêt est attendu de ce projet ?
• Où seront publiés les résultats de cette recherche ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que montre l'économiseur d'écran ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que signifie le logo CNMM ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que représente la barre de progression ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que représente l'objet bleu en forme de tube ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que représente les objets verts et rouges en forme de bulle à l'intérieur du tube bleu  ?
• Économiseur d'écran / Graphique : Que représente les vagues dans l'arrière-plan ?

Pourquoi l'eau potable est importante ?

Comment fonctionne l'ultrafiltration ?

L'ultrafiltration est le processus de réduction ou l'élimination de très petites particules par le passage de l'eau sous très haute pression à travers une membrane contenant des pores très fins. Les particules indésirables ont plus de difficulté à passer à travers la membrane que les molécules d'eau, il y en a donc moins qui apparaissent de l'autre côté. La haute pression nécessaire pour l'ultrafiltration nécessite un équipement coûteux et beaucoup d'énergie.

Tout moyen pour réduire la pression nécessaire à l'ultrafiltration rend le processus de purification de l'eau moins coûteux et donc plus accessible. C'est précisément ce que le projet "Des Calculs pour de l'Eau Potable" vise à réaliser, d'abord en étudiant en détail comment le flux des molécules d'eau à traverse les filtres.

Comment fonctionne l'osmose inverse ?

Pour comprendre l'osmose inverse, considérons d'abord l'osmose. L'osmose est le mouvement d'un solvant, comme l'eau, au travers d'une membrane semi-perméable pour égaler les concentrations d'un soluté, comme le sel, de chaque côté de la membrane. Si, par exemple, des concentrations inégales de solutions de sel ont été placées sur chaque côté d'une membrane adéquat, l'eau se déplacera du côté le moins concentré de la membrane vers l'autre côté. En appliquant une pression sur le côté le plus concentré, le processus peut être inversé, inversant donc l'osmose. Donc l'osmose inverse peut efficacement réduire des concentrations en sel, c'est une des méthodes pour enlever le sel de l'eau de mer.

Quel résultat concrêt est attendu de ce projet ?

La recherche est essentiellement conduite par le désir de comprendre, à un niveau fondamental, pourquoi les résultats expérimentaux montrent que l'eau peut couler par quelques filtres de nanotube bien plus facilement qu'attendu selon les lois classiques d'hydrodynamique. Avec une meilleure compréhension de ce phénomène, la recherche a l'intention d'améliorer les systèmes de fitration afin qu'ils soient plus abordables pour le dessalement de l'eau

Où seront publiés les résultats de cette recherche ?

Les chercheurs s'attendent à publier des résultats dans un certain nombre de journaux théoriques tels que Physical Review Letters et Applied Physics Letters. De vraiment grandes inventions révolutionnaires pourraient entrer dans les journaux multidisciplinaires prestigieux comme Science et Nature. Évidemment, pour n'importe quelle publication acceptée, les volontaires du projet seront les premiers à savoir et seront dûment admis dans les articles.

Économiseur d'écran / Graphique : Que montre l'économiseur d'écran ?

Le centre de l'économiseurt d'écran montre les atomes d'un nanotube de carbone encerclant  un échantillon de molécules d'eau à l'intérieur. Les positions des atomes correspondent au calcul en cours sur votre ordinateur à ce moment là. Les atomes de carbone sont montrés en bleu. Les molécules d'eau se composent de l'oxygène et des atomes hydrogènes montrés en rouge et vert. Toutes les cinq minutes, le nanotube est montré alternativement dans la grandeur complète ou comme un plan rapproché près du mur du nanotube. Plus de molécules d'eau sont montrées dans la vue en plan rapproché.