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Images de science : S’inspirer des cactus pour récolter de l’eau douce

Une épine de cactus imprimée en 3D.
Une épine de cactus imprimée en 3D. Joséphine Van Hulle, Author provided

Le format « Images de science » vous propose de décrypter une photographie particulièrement signifiante d’un point de vue scientifique, de la décrire et d’en comprendre les enjeux.


Voici une imitation d’épine de cactus fabriquée avec une imprimante 3D. Sur la pointe du cône, une gouttelette est déposée, imitant l’eau qui se condense naturellement sur la pointe des épines de cactus, grâce à la pluie, au brouillard, et à la rosée, mais aussi grâce à l’eau naturellement présente dans l’air (humidité). Cette photographie est une superposition de plusieurs images : une goutte est déposée au niveau de la pointe, puis elle se déplace vers la base du cône, de la gauche vers la droite, de façon passive, c’est-à-dire que la goutte se déplace toute seule, sans ajout extérieur d’énergie. Lors de cette avancée, la goutte est photographiée à différents instants : la première image de la goutte, à la pointe du cône, a été prise 45 secondes avant la dernière image de la goutte, alors proche de la base du cône.

Pourquoi étudier le transport d’eau sur de toutes petites structures ?

Au fil de l’évolution biologique, la faune et la flore ont su tirer parti de leurs environnements, même dans les régions les plus hostiles. Les déserts sont des régions où les précipitations sont rares et la sécheresse habituelle. Et pourtant, la vie y est présente, on y trouve à la fois des animaux et des plantes, y compris de nombreux cactus. Pour certaines de ces espèces, notamment le cactus Opuntia microdasys, les épines agissent comme de petits arrosoirs, en collectant l’eau naturellement présente dans l’air et en la redistribuant à la plante.

La collecte d’eau par les épines de cactus peut être décomposée en trois phénomènes physiques. Tout d’abord, l’eau présente dans l’air se condense au niveau de la pointe de l’épine grâce au phénomène de « nucléation hétérogène ». Ensuite, l’eau s’accumule jusqu’à former une goutte, c’est la phase de croissance. Cette goutte est acheminée en direction de la plante grâce à la géométrie particulière de l’épine par « transport capillaire ». De ceci, on apprend qu’il faut réunir deux conditions pour collecter l’eau, il faut une structure permettant la condensation de l’eau, mais aussi une structure permettant de transporter la goutte d’eau formée dans une direction déterminée.

Au laboratoire du Group of Research and Applications in Statistical Physics de l’Université de Liège, nous caractérisons physiquement ce transport de liquide tel qu’observé sur les épines de cactus. Cette recherche, basée sur une approche biomimétique, pourrait mener à développer de nouvelles techniques de collecte d’eau dans les régions arides et ainsi alimenter en eau les populations qui y habitent.

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