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  • Photo du rédacteurElement Blue

Notre avenir en bois : fabriquer des voitures, des gratte-ciel et même des lasers en bois

Le bois peut désormais être transformé en un super-matériau aux propriétés extraordinaires - et une économie basée sur le bois et respectueuse du climat est exactement ce dont la planète a besoin


Avez-vous entendu parler de la voiture en bois, avec des roues en bois, un châssis en bois et un moteur en bois ?

« Le bois pourrait être utilisé dans les voitures », explique Liangbing Hu, scientifique en matériaux de l'Université du Maryland. Il a récemment reçu une subvention massive pour construire des voitures en bois de haute technologie, et il n'a pas la route pour lui-même. Des ingénieurs japonais travaillent également sur un concept-car en bois qui sera dévoilé aux Jeux olympiques de Tokyo en 2020.


Mais les voitures ne sont que les pousses vertes d'une révolution croissante du bois. Dans les laboratoires de science des matériaux et les studios de design du monde entier, les gens travaillent sur toute une civilisation construite à partir de bois. Dans ce futur, l'acier, le béton, les plastiques et même l'électronique ont été abattus par le bois. Des voitures en bois sillonnent les rues dominées par des gratte-ciel en bois avec des fenêtres en bois. Des avions en bois volent au-dessus de nos têtes, alimentés par des batteries en bois. Les gens portent des vêtements en bois et utilisent des téléphones portables en bois. Cela peut ressembler à une ville de jouets, mais c'est mortellement sérieux.


Les étapes de la civilisation humaine ont toujours été grossièrement mesurées par le progrès matériel. L'âge de pierre a cédé la place à l'âge du bronze puis à l'âge du fer. Aujourd'hui, nous vivons à l'ère des hydrocarbures, alimentés par le charbon, le pétrole et le gaz. Ils fournissent nos besoins énergétiques et rendent possibles les matériaux qui définissent notre civilisation : l'acier, le béton et le plastique.


Mais cela doit cesser. Pour éviter de saccager la planète avec des déchets plastiques et du dioxyde de carbone, il va falloir arrêter d'utiliser des hydrocarbures, et bientôt. Le moyen d'y arriver pourrait être de créer une économie circulaire fondée sur des matériaux durables, notamment le bois.


Le roadster Setsuna de Toyota est presque entièrement en bois


Le bois a longtemps fait partie du mix de matériaux, bien sûr, utilisé dans les bâtiments, les outils et pour l'énergie. Mais dans un avenir pas si lointain, ce sera peut-être le matériau dominant. « Tout ce qui est fabriqué à partir de matériaux fossiles aujourd'hui peut être fabriqué à partir d'un arbre demain », déclare Åsa Ek, directeur général de la société finlandaise de matériaux Cellutech.


Mais pas le bois tel que vous le connaissez. Bien sûr, le bois brut a de nombreuses propriétés utiles : il est solide, tout en étant léger et flexible. C'est beau et économique. Il pousse littéralement sur les arbres. Mais il présente également de sérieux inconvénients qui l'ont amené à être dépassé par d'autres matériaux. Ses propriétés sont imprévisibles. Il brûle, se fissure et pourrit. Il est encombrant et non transparent.


Mais on peut en dire autant des autres matières premières. Le pétrole brut, le minerai de fer et les ingrédients de base du béton sont peu utiles tels quels. Pour libérer leur potentiel, ils doivent être traités. La même chose est vraie pour le bois – nous devons juste découvrir comment, puis construire l'infrastructure pour le faire. Lorsque nous aurons résolu cela, nous entrerons dans l'âge du bois.


Le premier endroit où le bois est susceptible de remplacer les matériaux non durables est dans les bâtiments. Il a déjà une longue histoire en tant que matériau de construction, mais ses inconvénients signifient que les nouveaux bâtiments sont principalement fabriqués à partir d'acier et de béton. Ils sont parfaits pour la construction mais épouvantables pour l'environnement.


« L'acier et le béton dans la construction représentent 8 % des émissions mondiales de carbone »


La production d'acier représente environ 3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre et le béton environ 5 %. Ce n'est pas durable. Selon le récent rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat sur le maintien du réchauffement en dessous de 1,5 °C, les réductions drastiques des émissions requises signifient que la construction de bâtiments doit être neutre en carbone d'ici 2020. Cela signifie presque certainement une réduction radicale de l'acier et du béton. Heureusement, cela commence déjà à se produire grâce à un matériau à base de bois appelé bois lamellé-croisé (CLT), qui peut remplacer les deux. Le CLT est fabriqué en collant des feuilles de bois ensemble - généralement à partir d'épicéas de Norvège ou de hêtres - pour créer de grandes dalles plates. Ceux-ci peuvent être empilés pour créer des bâtiments comme des blocs Jenga géants. Contrairement à Jenga, il n'y a aucun risque que ce truc tombe.


Gratte-ciel de bois

Le CLT est du bois tourné jusqu'à 11 : c'est du bois pimpé. "C'est un matériau d'ingénierie, pas comme une planche que vous obtenez dans une quincaillerie", explique Darshil Shah, ingénieur au Center for Natural Material Innovation de l'Université de Cambridge. Contrairement au bois brut, il possède des propriétés matérielles prévisibles et fiables, créées en superposant le grain de chaque feuille à angle droit par rapport à la précédente. Cela confère une résistance à l'acier et rend également le CLT longue durée de vie et étonnamment résistant au feu.


Le CLT a été inventé dans les années 1990, mais gagne en popularité grâce à une course en cours pour construire le plus haut gratte-ciel en bois du monde. Le leader actuel est une résidence étudiante de 18 étages à Vancouver, au Canada, qui a été achevée en 2017. Cette année, elle sera dépassée par un bloc à Brumunddal, en Norvège. Et d'autres sont sur la planche à dessin, y compris une tour de 80 étages et 300 mètres plantée en plein centre du Barbican Centre de Londres.


La tour Mjøsa à Brumunddal, Norvège, sera le plus haut bâtiment en bois du monde


Shah dit que les gratte-ciel sensibilisent, mais la véritable action se situe dans les immeubles de hauteur moyenne. Un bâtiment en bois de huit étages peut être préfabriqué hors site et monté en quelques jours. Le matériau peut être cultivé dans des forêts gérées durablement et, étant donné leur nombre, c'est comme si le bois d'un seul appartement ne mettait que 7 secondes à pousser. Et bien que le CLT coûte un peu plus cher que l'acier et le béton, il accélère la construction. Plutôt que de cracher du dioxyde de carbone, il emprisonne le carbone pour la durée de vie du bâtiment, généralement de 60 à 70 ans. Ce stockage de carbone peut être un frein petit mais utile au changement climatique. Selon un rapport de 2017 sur l'élimination des gaz à effet de serre de la Royal Society et de la Royal Academy of Engineering du Royaume-Uni, le passage au bois dans la construction pourrait instantanément effacer un milliard de tonnes des émissions annuelles de carbone dans le monde. C'est 2,3% du total - pas un montant énorme, mais dans un monde où nous devons tout faire, immédiatement, il ne faut pas le renifler.


Et à mesure que les villes grandissent, le potentiel du CLT aussi. Environ 65% des infrastructures urbaines qui seront nécessaires en 2030 doivent encore être construites. S'il est construit avec du béton et de l'acier, nous avons peu de chances de maintenir les températures au plus bas. Le CLT n'élimine pas complètement les anciens matériaux, mais les réduit jusqu'à 80 %. « Nous utilisons toujours du béton pour les fondations », déclare Shah. « Mais un bâtiment en bois pèse environ un tiers du poids d'un bâtiment en acier et en béton. Cela signifie que nous avons besoin de fondations moins profondes, ce qui réduit considérablement la quantité. » Le bois améliore également l'isolation d'un bâtiment, réduisant encore son empreinte carbone.


Dans un avenir pas si lointain, le bois pourrait même être utilisé à la place du verre dans les fenêtres. Il y a quelques années, des scientifiques du Wallenberg Wood Science Center à Stockholm, en Suède, ont inventé un moyen d'extraire les pigments du bois. Le résultat a été un matériau transparent qui peut être utilisé comme le verre, mais avec de meilleures propriétés isolantes - un autre petit pas vers un avenir sans carbone.


Si tout cela évoque des images de structures en bois élancées ressemblant à l'intérieur d'un studio de design scandinave, détrompez-vous. Les bâtiments sont généralement revêtus, de sorte que la structure en bois est cachée. C'est dommage, dit Shah. « Les gens ne se rendent pas compte qu’ils sont en bois. La perception du public est l'un des éléments clés qui doit être abordé.


Je suis allé voir le 24 Murray Grove, un immeuble de neuf étages à Londres. Lorsqu'il a été achevé en 2009, il s'agissait du plus haut bâtiment en bois du monde. Je me suis également arrêté à proximité de Dalston Lane, qui a été achevé l'année dernière et est le plus grand bâtiment CLT au monde mesuré en volume. De l'extérieur, vous ne sauriez jamais que l'un ou l'autre a été construit en bois. Néanmoins, dit Shah, pour les immeubles de hauteur moyenne, « le CLT pourrait être la norme de l'industrie dans cinq à dix ans ».


Les bâtiments en bois de hauteur moyenne, comme ceux de Londres (ci-dessus et ci-dessous), peuvent être assemblés en quelques jours


Même dans ce cas, il reste encore beaucoup à faire pour optimiser l'empreinte carbone de CLT. La colle, qui constitue environ 5 % du matériau final, est fabriquée à partir de produits pétrochimiques. Le bois doit être séché dans des fours qui sont souvent alimentés par des combustibles fossiles. Le processus de séchage consomme environ 90 pour cent de l'énergie nécessaire à la fabrication du CLT, explique Shah.


La réponse aux deux peut être… encore plus de bois. Le bois est déjà utilisé comme biocarburant durable, et le développement de cette industrie joue un rôle majeur dans tous les scénarios qui maintiennent le réchauffement climatique à des niveaux gérables. Il est considéré comme un biocarburant neutre en carbone, à condition de replanter des arbres.


Le bois est également développé comme source de matières premières pour remplacer les composés à base de pétrole qui dominent le marché des produits chimiques d'aujourd'hui. C'est là que le bois tel que nous le connaissons commence à disparaître et que ses composantes intégrales prennent le devant de la scène.


Le bois est un mélange complexe de produits chimiques organiques. Environ 40 pour cent de celui-ci est de la nanocellulose, des faisceaux de fibres longues et solides qui ressemblent à une version naturelle du Kevlar, le matériau synthétique utilisé dans les gilets pare-balles. "C'est une fibre très résistante avec d'excellentes propriétés mécaniques", explique Lars Berglund, directeur du Wallenberg Wood Science Center. Un autre 30 pour cent est de la lignine, un riche mélange de composés organiques similaires au pétrole brut. Le reste est une substance semblable à de l'amidon appelée hémicellulose. Ces trois composants travaillent ensemble pour créer les propriétés matérielles du bois, et ils peuvent tous être extraits et transformés en composés utiles et précieux.


« Le bois peut être transformé en un matériau transparent qui peut être utilisé comme le verre »


La pétrochimie est un autre problème environnemental gigantesque. Selon l'Agence internationale de l'énergie, leur production consomme à peu près autant d'énergie que l'acier et le ciment réunis et nécessite beaucoup de matériaux dérivés du pétrole. La demande de ces par cette industrie est en plein essor.


« Nous aimerions remplacer ces ressources fossiles avec des arbres », explique Berglund. À cette fin, lui et ses collègues travaillent à la création d'une raffinerie de bois qui, comme une raffinerie de pétrole, prend du bois brut et le transforme en produits finis de valeur. À l'heure actuelle, ce n'est guère plus qu'une usine pilote fabriquée à partir d'équipements de laboratoire, mais à l'avenir, elle pourrait se transformer en une industrie « arbochimique » massive – et massivement durable.


Dalston Lane est le plus grand bâtiment CLT au monde mesuré en volume


Les applications pour les produits finaux de ceci arrivent rapidement. Les plus avancées sont à base de nanocellulose. "C'est vraiment très populaire", dit Berglund. « Vous pouvez en faire toutes sortes de matériaux passionnants. » La nanocellulose est déjà utilisée comme substitut pétrochimique dans les peintures, les colles, les cosmétiques, les couches, les emballages et l'électronique. L'industrie automobile l'explore en remplacement des fibres de verre dans la carrosserie. De nombreuses autres utilisations sont susceptibles de suivre. Environ 5000 articles scientifiques sont publiés chaque année sur les nouvelles applications de la nanocellulose, explique Berglund, y compris pour l'habillement.


Le suivant dans la file d'attente est la lignine. « La lignine est la révolution à venir », déclare Berglund. Aujourd'hui, il s'agit d'un déchet provenant du traitement de la pâte de bois et du papier, dont la majeure partie est brûlée pour produire de l'énergie ou utilisée comme additif dans le béton. Mais ce sont du gaspillage, dit Berglund. « Les lignines sont des produits chimiques précieux. Il y a beaucoup d'activité dans les entreprises chimiques qui essaient de l'utiliser pour remplacer les produits à base de pétrole. Le développement le plus excitant concerne les revêtements, les adhésifs et les résines.


Il peut même remplacer le plastique

Le retardataire est l'hémicellulose. Cette substance féculente est difficile à transformer, dit Berglund, mais des progrès sont en cours. Le but ultime est de l'utiliser pour remplacer le produit pétrochimique ultime, le plastique.


Rien ne symbolise l'ère pétrochimique comme les plastiques. Ils sont bon marché, abondants et utiles, mais désastreux pour l'environnement. Ce qui n'est pas recyclé finit en décharge, comme matière première pour les usines de valorisation énergétique des déchets ou comme litière presque indestructible. Il finit souvent par s'effriter en microplastiques, des particules de 5 millimètres ou moins, qui constituent un danger pour l'environnement et éventuellement pour la santé humaine.


Les substituts biodégradables ne sont pas nouveaux. Par exemple, l'acide polylactique, fabriqué à partir d'amidon, est utilisé commercialement depuis le milieu des années 1980. Mais les options existantes ne sont pas idéales. Par exemple, ils ne se biodégradent pas bien en dehors des composteurs industriels et ils consomment des glucides précieux de qualité alimentaire.


La solution? Vous l'avez deviné - plus de bois. Plusieurs entreprises de la région nordique travaillent à transformer les forêts en plastique. L'interdiction prochaine par l'Union européenne des plastiques à usage unique tels que les pailles, les tasses et les cotons-tiges ne peut qu'accélérer les progrès. « C'est une énorme opportunité de remplacer les plastiques à usage unique par du bois », déclare Berglund.


"Si vous laissez tomber du bois densifié sur le sol, cela ressemble à de l'acier"


Une entreprise bien placée pour en profiter est Stora Enso, une ancienne société minière de cuivre en Finlande dont l'histoire remonte au XIIIe siècle. Au cours des dernières années, elle s'est réinventée en tant que « entreprise des matériaux renouvelables », développant une gamme d'alternatives au plastique à base de bois. Son matériau Durasense, par exemple, est un mélange 60/40 de bois et de polypropylène qui peut être réutilisé jusqu'à six fois. Autre entreprise pionnière, Paptic, également finlandaise, qui développe un matériau à base de fibres de bois pour remplacer les sacs en plastique. Pour l'instant, personne n'a craqué sur le gros – les bouteilles de boissons – mais de nombreuses entreprises y travailleraient.


Pour voir à quoi pourrait ressembler l'avenir du plastique, j'ai visité le siège d'une start-up appelée Sulapac à Helsinki, en Finlande. Son matériau éponyme est composé à 88 % de déchets de bois et d'un liant exclusif fabriqué à partir de déchets de canne à sucre. Sulapac ne révélera pas quel est le liant, mais dit qu'il permet aux déchets de bois d'être chauffés à 200 ° C et donc traités dans les machines de moulage de plastique existantes.


Pour le moment, les seuls produits commerciaux de Sulapac sont des pots pour cosmétiques chers, mais ses ambitions sont bien plus grandes. « Nous ne pouvons pas encore remplacer les plastiques à usage unique ou les produits à longue durée de vie tels que les manches de ciseaux, mais tout ce que nous voulons remplacer à court terme », explique le co-fondateur Suvi Haimi. Cela signifie des articles comme des couverts en plastique, des stylos, des peignes, des brosses à dents et des étuis pour téléphones.


Le matériau Sulapac est conçu pour être 100 % biodégradable et sans microplastique. Son lieu de repos final idéal est un composteur industriel, mais s'il se retrouve dans l'environnement, il se dégrade complètement en un an. « Où qu'il finisse, c'est mieux que le plastique », dit Haimi. Et Sulapac est beau, chaud et lisse, comme un croisement entre le bois et la céramique. Les ambitions de valorisation du bois ne s'arrêtent pas là. Dans le laboratoire de Liangbing Hu à l'Université du Maryland, des scientifiques travaillent à son utilisation pour remplacer certains des matériaux les plus avancés au monde.


Plus tôt cette année, lui et ses collègues ont annoncé un développement suffisamment important pour être publié dans la revue Nature : une technologie pour transformer le bois tendre en un matériau plus solide et plus résistant que l'acier haute performance et même les alliages de titane qui sont utilisés dans l'ingénierie aérospatiale.


Le bois densifié - ils devraient vraiment l'appeler superwood - est fabriqué en enlevant chimiquement environ la moitié de la lignine puis en comprimant brutalement ce qui reste à haute température. Cela provoque l'effondrement des structures cellulaires et l'alignement et la liaison des fibres de nanocellulose. Le matériau obtenu est un cinquième de l'épaisseur du bois, mais 12 fois plus résistant et trois fois plus durable. Il possède ainsi une combinaison souhaitable de résistance et de ténacité.


"Cela ressemble à du bois bien qu'il soit beaucoup plus léger, et si vous le laissez tomber sur le sol, cela ressemble à de l'acier", explique Hu. "Il a le potentiel de remplacer l'acier partout où la force est nécessaire mais pas le poids." Au départ, cela signifie la carrosserie des véhicules et des avions – Hu a récemment reçu une subvention de 3,6 millions de dollars pour développer le matériau en tant que substitut de l'acier dans les voitures – et peut-être finalement des pièces mobiles.


« Le passage au bois effacerait immédiatement un milliard de tonnes des émissions mondiales de carbone »


Hu et ses collègues étudient également le potentiel du bois pour remplacer les matériaux lourds et coûteux dans les dispositifs de stockage d'énergie. « Nous avons développé une technologie appelée batterie au bois dans laquelle vous placez les composants de la batterie dans les pores », dit-il. « Une application concerne les téléphones portables et les véhicules où le poids est important. L'autre est pour les batteries stationnaires, où le poids n'est pas si important, mais vous voulez que le coût soit aussi bas que possible. C’est là que le bois entre en jeu, il est très bon marché.


Pour ne pas être en reste, Berglund a même fabriqué un laser en bois, utilisant un colorant organique incrusté dans les canaux naturels du bois transparent. « Ce n'est pas un très bon laser, mais il est bon marché et renouvelable », dit-il. À l'heure actuelle, il n'y a pas d'applications évidentes pour cela – peut-être qu'il pourrait être intégré dans les meubles en tant qu'élément de conception, dit-il. Mais c'est encore une autre démonstration de ce qui est possible et de la façon dont les scientifiques changent la perception du bois en tant que matériau.


À partir de ces minuscules glands, est-il vraiment possible de développer une puissante économie basée sur le bois ? La science des matériaux fait partie de l'équation. Pour remplacer les matériaux du XXe siècle, le bois devra surmonter deux autres obstacles. L'un est la demande de terres. Y en a-t-il assez pour faire pousser tous les arbres dont nous avons besoin sans affecter la production alimentaire ou provoquer une déforestation massive ?


C'est une question difficile. La foresterie durable est essentielle pour maîtriser le réchauffement climatique, mais la gestion des besoins concurrents de l'agriculture, de la bioénergie et de la forêt est déjà un exercice d'équilibre difficile. Divers scénarios sur la façon dont le monde peut se développer de manière durable au cours de ce siècle produisent des estimations très différentes de la couverture forestière, allant d'augmentations de 500 millions d'hectares à des diminutions similaires. Et ces modèles ne tiennent pas compte d'une industrie des produits forestiers en expansion massive.


D'où vient tout ça ?

Mais selon Himlal Baral, chercheur principal au Centre de recherche forestière internationale à Bogor, en Indonésie, il y a beaucoup de terres à parcourir. « Il y a certainement une demande concurrente pour les terres », dit-il. « D'un autre côté, il y a une énorme quantité de terres dégradées et sous-utilisées disponibles dans le monde, entre 1 et 6 milliards d'hectares. » Nous pourrions utiliser ces terres, dit-il, pour faire pousser des arbres afin de fabriquer des produits chimiques, des matériaux de structure et des biocarburants sans concurrencer les terres nécessaires à l'alimentation ou à la conservation de la nature. « L'utilisation de terres dégradées et sous-utilisées pour ces produits et services offre des solutions gagnant-gagnant pour atténuer le changement climatique et soutenir les moyens de subsistance en milieu rural et la restauration des terres ».


Berglund voit également peu de raisons de s'inquiéter. « Dans les pays nordiques, ce n'est absolument pas un problème. Si vous regardez la croissance annuelle et la quantité récoltée, nous n'utilisons pas toutes nos forêts durables. »


Le prix est un autre véritable obstacle. Pour l'instant, la lignine n'est pas compétitive avec les produits pétrochimiques, et la nanocellulose peut coûter jusqu'à 3 000 $ le kilogramme, soit environ 100 fois le coût du Kevlar. Mais Berglund dit que nous ne pouvons pas nous permettre de nous en inquiéter. « Nous ne pouvons pas attendre que les matériaux biosourcés soient compétitifs en termes de coûts. Nous sommes dans une situation environnementale où nous devons maintenant passer aux ressources renouvelables et améliorer l'économie en cours de route. »


Hu est également optimiste. « Je pense que nous devrions progressivement remplacer certains des vieux matériaux, et voir jusqu'où le bois peut aller. » Reste à savoir si ce genre d'optimisme est suffisant pour relancer l'économie du bois, face à un fort biais du marché en faveur de la pétrochimie. «Ce matériau est abondant, biodégradable, renouvelable», explique Hu. « C'est très prometteur. Si vous le concevez correctement, vous pouvez remplacer les plastiques, le verre, les métaux, l'acier. Il faut juste être vraiment ouvert d'esprit.

Avez-vous entendu la blague sur la voiture en bois? Oui, il y avait des phares à laser.


Source:

https://www.newscientist.com/article/mg24132210-200-our-wooden-future-making-cars-skyscrapers-and-even-lasers-from-wood/#ixzz7BHp2lvo0

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