Projet d'UE de L3 encadré par Loïc Labrousse, Pierre Thery et Steve Hubert
Julien CREMER

Contacts : julien.cremer@etu.sorbonne-universite.fr, juliencremer2000@gmail.com

Il s'agit d'un projet personnel réfléchi au sein de l'autoentreprise Cremer Scaping, muri et développé dans le FabLab et le GreenLab.

Histoire du projet

On a tous l'image de nos grands parents nous racontant que les tomates avaient plus de goût dans leur jeunesse; et ils ont raison…

Les tomates, actuellement vendues dans les grandes surfaces, sont cultivées en Hydroponie; c'est à dire dans un milieu stérile et contrôlé.
Dans ce type de culture on utilise des engrais chimiques appelés solution NPK que l'on ajoute à l'eau. Cette solution contient de l'Azote, du Phosphore et du Potassium, qui sont les trois minéraux essentiels à la croissance et à la floraison d'une plante. Une plante a évidemment besoin d'autres minéraux pour être en bonne santé, mais ajouter ces autres minéraux augmenterait le coût de l'engrais (on privilégie le rendement à la qualité de production). Ainsi, ces plantes se retrouvent vite carencées et la quantité de vitamines et de minéraux présente dans le fruit s'en retrouve diminuée. C'est de là que vient cette perte de goût.

Il existe actuellement trois types de culture hors-sol:

L'Hydroponie utilise des engrais minérales (chimiques). L'utilisation de ces engrais pose problème dans le conscient collectif par la nature mentionnée “chimique” des engrais utilisés. Elle pose également un problème de santé agronomique par la faible nutritivité des productions.

La Bioponie utilise des engrais biologiques à base de cendres, déchets organiques (purin, fientes,…), thés de lombric, urine, etc. Ici, le problème est d'ordre sanitaire car l'emploi de ces engrais rend le milieu non-stérile et peut engendrer la prolifération de bactéries toxiques si le circuit n'est pas entretenu. Les composants des engrais biologiques peuvent provoquer un frein à l'achat, dans l'esprit du consommateur, compte tenu de leur nature.

L'Aquaponie utilise les déjections des poissons, contenues dans l'eau des bassins d'élevage, comme engrais. Les plantes jouent le rôle de filtration. L'utilisation des déjections de poisson posent aussi problème dans le conscient du consommateur, mais le principale problème est surtout d'ordre éthique. Des associations se battent contre l'élevage en bassin en parlant de précarité animale, et d'autres, s'inquiètent de nature de la nourriture utilisée pour les poissons (comme l'utilisation de farines animales).

Ces trois modes de culture hors-sol présentent différents avantages et inconvénients.

Depuis plusieurs années, je développe une technologie que j'ai baptisée Cyclohydrobioponie, ou plus simplement Cycloponie.
Elle prend appuie sur les bases de la Bioponie et de l'Auquaponie actuelles, que j'ai couplées aux systèmes des terrariums autosuffisants.

La Cycloponie a pour aspiration de ne présenter seulement des avantages; tant sur les plans agroalimentaire, sanitaire, et éthique, que sur le plan écologique, qui représente un des enjeux majeurs du XXIème siècle.

En partant de l'idée que la pollution n'était qu'une énergie inexploitée sortant d'un système, j'ai pensé réintégrer cette énergie et l'utiliser afin de limiter les émissions tout en assurant une production de qualité. D'où le terme “Cyclo”.

La Cycloponie vise à la production végétale et la production d'eau douce potable, sans pollution.

On se concentrera ici sur la réalisation de la serre Cycloponique.

Autorisations et formalités administratives

Comme mon projet se rapproche plus du domaine biologique, j'ai demandé à Loïc Labrousse si je pouvais effectuer mon travail dans ce domaine. Après son approbation, je suis allé au GreenLab avec Pierre Thery pour rencontrer Steve Hubert, le responsable du GreenLab. Je lui ai parlé de mon projet et il a accepté de m’accueillir.

Il a fallu ensuite signer la charte du GreenLab assurant le respect du matériel et des personnes présentes.

Vient ensuite la démarche administrative. J'ai dû remplir un document faisant le détail du projet, expliquant les potentiels dangers, le cadre du projet (personnel, UE, etc), la durée, les dimensions, etc…

Les expérimentations sur des organismes vivants, autres que les crevettes, sont interdites. Il a donc fallu justifier que les poissons utilisés dans le cadre du projet n'allaient être sujet à aucune expérimentation directe.

Une fois le dossier rempli, la validation peut prendre quelques semaines.

Réflexion

Préférant le papier j'ai effectuer des dizaines de croquis et feuilles de calculs pour répondre à certaines questions et faire des choix.

Utilisation d'eau douce ou d'eau de mer ?
J'ai choisi l'eau douce car j'ai décider de ne me concentrer sur la structure de la serre et pas sur l'autre partie du projet que je ne détaillerai pas ici.

Dois-je faire une Aquaponie classique ou simuler les paramètres d'eau d'une rivière/fleuve/… ?
J'ai choisi de simuler les paramètres de l'eau d'une rivière d'Amérique du sud en me basant sur les paramètres de l'habitat des guppys dans la nature.

Dois-je faire l'aquarium et la serre d'un seul bloc ou non ?
Il faut obligatoirement séparer les deux blocs pour respecter la condition de simulation d'une rivière. De plus, l'eau récupérée par condensation dans la serre ne proviendrait pas que de l'évapotranspiration des cultures mais également de l'évaporation naturelle de l'aquarium. Cela fausserait les valeurs.

Comment faire fonctionner les lampes, pompes, etc…?
Dans le cas d'une structure de grande ampleur, le but est d'utiliser des panneaux solaires. Mais dans le cadre de l'expérience on utilisera les prises de courant. On limitera cependant les éléments électroniques, on utilisera des lampes LED qui consomment beaucoup moins que des ampoules classiques et le chauffage de la serre se fera par effet de serre.

Les cultures sont-elles capable de résister à des milieux à forte hygrométrie et une température élevée ?
Il aurait fallu faire des expérimentations que je n'ai pas pu faire. Cependant il faut prendre en compte que plus le volume de la serre sera petit, plus l'effet de serre sera important. J'aurais aimer prendre des salades et des tomates pour l'expérience.

Faut-il une extraction et un circuit de condensation actif ?
Afin de limiter les systèmes électroniques et de se rapprocher des terrariums autosuffisants, la serre sera totalement hermétique, sans extraction ni intraction d'air et le système de condensation sera passif (l'eau ruissèlera sur les parois).

Des plantes dans l'aquarium même si elles se nourrirons des éléments de l'eau ?
Oui, car dans la nature, des plantes poussent également dans les rivières.

Verre ou plexiglas pour la serre et l'aquarium ?
L'aquarium sera en verre car j'ai utilisé un bac déjà présent sur le campus (dont la capacité est plus faible que celle que je voulais). Le terrarium sera en plexiglas pour des raisons de sécurité et de facilité car il sera fait sur mesure.

Liste du matériel

Aquarium (environ 60L)
Plexiglas 6mm
Silicone
Tiges métalliques (3-4mm)
Passe-paroi
Tuyaux
2 Pompes
Buse de rejet
Éclairage LED aquarium 1600-1800 lumens
Éclairage LED horticole
Chauffage
Timer mécanique
Multiprise
Pouzzolane (Roche volcanique calibrée aquariophile)
Sol technique ou Substrat + Sol nutritif
Conditionneur d'eau
Bactéries de démarrage
Guppys
Crevettes Caridina Japonica (crevette Amano)
Plantes (type Gazonnante et Anubias)
Roche Dragon Stone
Racines
Jeune Salades et plants de tomate
Godets pour hydroponie
Colle cyanoacrylate
Nourriture pour poissons

Conception

J'ai utilisé SketchUp pour la modélisation 3D de la serre.

J'ai commencé par essayer de me familiariser avec le logiciel et la modélisation 3D en effectuant ce petit modèle. Je ne pouvais pas utiliser la thermoformeuse pour faire mon dôme car la base du dôme devait être carré et que les dimensions de la serre étaient trop importantes. J'ai donc décidé de créer un dôme à facette en essayant de trouver le moyen de le modéliser pour connaître les dimensions des pièces du dôme et pouvoir les découper à la découpeuse laser.

J'ai ensuite fait les premiers essaies mais je me suis rendu compte que les triangles près des arrêtes de la première couronne, n'était absolument pas de la même dimension que les autres. De plus, la courbe du dôme n'était pas juste.

J'ai donc fait le choix de partir sur un terrarium 50cm x 50cm x 70cm.
Pour créer le dôme, j'ai d'abord tracé deux demi-cercles verticaux, de diamètre 50cm, afin d'obtenir une ligne directrice pour le dôme (cette méthode me donnerait l'inclinaison des facettes sans me soucier de l'angle). Comme point de départ, j'ai donc calculé la hauteur d'un triangle équilatérale de 12,5 centimètres, ce qui fait environ 10,8cm. J'ai ensuite tracé une droite de 10,8cm partant du milieu d'une arrête du cube et rejoignant mon demi-cercle. J'ai obtenu de cette façon l'inclinaison de ma première couronne.
Pour la seconde couronne, j'ai répété la même opération en retirant 3,2 centimètres sur la droite directrice de ma pente, et ainsi de suite pour les autres couronnes.
Cependant, cette méthode fonctionnant avec des approximations, les tailles de mes facettes n'étaient pas toutes les mêmes. J'ai donc pris, en dimensions, la valeur moyenne qui me semblait la plus juste et corrigerais les défauts à l'assemblage.

Ensuite, j'ai essayer de concevoir le circuit hydroponique avec le réservoir et le système de récupération d'eau douce. Je n'ai pas pu le terminer car j'ai dû revoir les dimensions de la serre pour des soucis d'économie.

J'ai donc revu les plans en décidant de créer un terrarium de 40cm x 40cm x 70cm. J'ai également changé de méthode pour connaitre l'inclinaison de les facettes.
J'ai tracé les deux demi-cercles mais cette fois-ci je me suis servi du rapporteur sur le logiciel. J'ai convenu que mes facettes rencontreraient le demi-cercle tous les 20° et donc que l'octogone du sommet (horizontale) rencontrerait le demi-cercle à 80°.
Je voulais obtenir une facette octogonale au sommet. Pour ceci, il fallait que les arrêtes supérieures des facettes de la troisième couronne aient toutes la même longueur. J'ai donc effectué des dizaines de calculs en inventant des méthodes pour trouver cette valeur (j'ai résolu mon problème par une équation de forme AX + (X/2) = B). Cependant ici, la courbure du sommet de mon dôme ne m'allait pas.

Pour corriger ce qui ne m'allait pas sur la courbure du dôme, j'ai modifié quelques paramètres.
Pour mes deux premières couronnes, les facettes rencontreraient le cercle tous les 20°.
Pour la troisième couronne, les facettes rencontreraient le cercle à 15° de plus.
Pour la quatrième couronne, les facettes rencontreraient le cercle à 10° de plus (le sommet est donc horizontale à une auteur de 65° par rapport au cercle).
Cela permet d'adoucir la courbure du dôme; mais j'ai également fait autre chose.
Pour adoucir encore plus la courbure j'ai effectué une projection du la surface disponible si j'avais fait la quatrième couronne à 70° (donc 15° de plus que la troisième au lieu de 10°) sur la surface disponible à 65°. Ainsi, j'augmentais fortement l'inclinaison des facettes de la quatrième couronne, sans changer la valeur de l'octogone au sommet.
Sur la modélisation, toutes les pièces avaient la même dimension et j'ai donc obtenu la version finale de la modélisation du dôme sur SketchUp.

Le dôme se compose de 77 facettes:

44 triangles isocèles 85X85X100mm
12 triangles isocèles 72x72x100mm
4 triangles isocèles 85x85x52mm
4 trapèzes réguliers 85x74x85x52mm
4 trapèzes réguliers 72x90x72x74mm
4 trapèzes réguliers 54x56x54x100mm
4 trapèzes réguliers 54x56x54x90mm
1 octogone 56mm

Attention ! Le plexiglas a une épaisseur ! Les mesures sont donc prévues pour s'ajuster parfaitement sur la surface intérieur de la serre ce qui la rendra totalement hermétique. Les panneaux du “cube” peuvent donc être plus grand que 40cm de largeur (40cm + 0,6cm*2) de façon à ce que tout s'emboite parfaitement et que la largeur intérieur soit de 40cm.

J'ai ensuite utilisé le logiciel Inkscape pour tracer les pièces qui seront découpées avec la découpeuse laser.
Il faut mettre une épaisseur de 1 pixel et une couleur en rouge 255 pour ce qui doit être découpé (le noir sert à la gravure). J'ai mis beaucoup de temps à comprendre le fonctionnement du logiciel. Loïc Labrousse a voulu me faire travailler sur OpenScad mais effectuer tous les calculs et coder chaque pièces s'avérait trop long et compliqué. J'ai donc poursuivis sur Inkscape. Cependant Inkscape présentait quelques problèmes. La dimensions demandées et celles renseignées ne correspondaient pas. J'avais donc des pièces légèrement plus petites que ce que je souhaitais à chaque fois.
J'ai fini par comprendre que la différence entre la valeur demandée et la valeur indiquée était due au contour rouge qui servait à la découpe. Il a donc fallu augmenter légèrement, à tâtons, la dimension de chaque pièce. J'ai ainsi obtenu des patrons, voici un exemple:

Le problème était que tout ce travail n'a servi à rien puisque les pièces tracées étaient pour la serre en 50cm x 50cm x 70cm.
Je n'ai pas eu le temps de retracer chaque pièce sur le logiciel avec les nouvelles dimensions renseignées plus haut.

La serre devait posséder des portes. Pour cela j'ai eu l'idée d'insérer deux tiges en métal (une en haut et une en bas), dans le plexiglas, sur chaque porte, en guise de charnière. J'effectue un joint en silicone que je laisse sécher, puis, à l'aide d'un cuter, je découpe le joint en silicone pour articuler mes portes. j'obtiens ainsi un joint d'étanchéité.

Fonctionnement

L'eau de l'aquarium est aspirée par la pompe et envoyée dans la rigole hydroponique supérieur de la serre.
Elle s'écoule le long avant de tomber dans la deuxième rigole puis dans le bac de récupération.
L'eau est naturellement filtrée par la pouzzolane, les bactéries qu'elle contient, ainsi que les racines des plantes.
Une fois dans le bac de récupération, elle est chauffée et renvoyée dans l'aquarium (elle est chauffée en amont pour éviter les chocs thermiques pour les poissons et crevettes).
Les plantes vont faire de l'évapotranspiration. Cette eau vaporisée va se condenser sur le dôme et ruisseler sur les parois jusqu'au contenant d'eau douce. Pour éviter que cette eau ne se revaporise, un deuxième dôme vient couvrir le contenant, laissant l'eau liquide rentrer et la piégeant à l'intérieur.

Protocole

On prendra des mesures quotidiennes des paramètres de l'eau (pH, GH, KH, EC, etc.) et on surveillera l'évolution. On ne peut pas mesurer le rendement de production agroalimentaire à cette échelle; alors on mesurera la croissance des plantes chaque semaine (nombre de feuilles, taille des feuilles, taille des tiges)

Conclusion

Bien que non terminé par manque de temps, ce projet se concentrait sur la réalisation de la serre cycloponique. Dans l'idéal, j'aurais souhaité pouvoir lancer l'expérience en faisant tourner le système. A ma grande surprise, le gros défi de ce projet a été la réalisation du dôme, tant par le défi mathématique qu'il représentait que par l'utilisation de logiciels qui m'étaient inconnus.
J'aimerais pouvoir continuer les recherches et le développement de ce projet pour pouvoir l'amener à son terme.

Remerciements spéciaux à Loïc Labrousse et Pierre Thery de m'avoir autorisé à travailler sur mon projet personnel.
Merci également à Steve Hubert d'avoir porté un intérêt à ce projet et de m'avoir autorisé à le réaliser au sein du GreenLab.
Rencontrer les personnes du GreenLab, m'a permis de trouver de nouvelles solutions pour résoudre les problèmes que ce projet pouvait soulever.
Je m'excuse auprès d'eux également de n'avoir pu concrétiser matériellement ce projet.
Merci à mes deux amis Maëliss Normand et Jad Yehya, médiateurs du GreenLab et de l'espace prototypage, qui m'ont aidé et proposé des solutions.

Julien Cremer