Remonter des nodules du fond de l’océan, avec de l’air
Un modèle, deux prototypes et des essais.
Date : 2019–2020, complété en 2026
Des nodules riches en métaux reposent entre 4 000 et 5 000 m de fond, et l’Ifremer étudie une façon de les remonter : le pompage par air-lift, où de l’air soufflé au bas d’un tube fait monter l’eau et ce qu’elle porte. Avec quels réglages ce pompage est-il le plus efficace ? C’était notre sujet de TIPE, le travail de recherche personnel des classes préparatoires, sur le thème « Océan », mené avec Adrien Girardot au lycée Saint-Louis en 2019 et 2020 : un modèle, deux prototypes construits, des mesures sur le premier, et un mémoire publié parce que les oraux de 2020 ont été annulés.
J’ai toujours voulu le poursuivre. En 2026, j’ai repris le modèle, corrigé les erreurs de 2020, qui faussaient ses conclusions, et terminé le mémoire : 47 pages qui disent ce qui date de quand, sans ajouter de mesure, et qui donnent pour les essais jamais menés, avec des billes, les prédictions du modèle et un protocole. Pour me remettre à niveau en physique et aller plus loin : un pas vers la science. Le mémoire se lit depuis cette page.
Le résultat
Ce qui a été fait
01
Le modèle
Un bilan des forces le long du tube, intégré pas à pas avec l’air qui se dilate, le glissement des bulles et le frottement, résolu par dichotomie : pour chaque réglage, le débit d’eau, le rendement et la part de chaque perte.
Python · NumPy · SciPy
02
Les deux prototypes
Le premier, un tube de 30 mm dans une cuve, avec une chambre d’injection percée ; le second, une boucle avec un réservoir de 95 mm, un tube transparent, le débitmètre sous l’injection et un grillage pour les billes.
PVC · Plexiglas
03
L’instrumentation
Un débitmètre à effet Hall lu par un Arduino et enregistré en Python, moyenné sur quinze secondes ; le débit d’air déduit de la pression du compresseur, étalonnée à l’anémomètre ; et, pendant le confinement, la lecture du manomètre d’une pompe à vélo par webcam.
Arduino Uno · Python · OpenCV
04
Les essais
Deux séries sur le premier prototype : le débit d’eau selon le débit d’air, puis selon l’immersion, comparées au modèle ; les essais avec les billes, non réalisés, remplacés par un protocole.
05
Les solides
Le critère pour qu’une particule monte, les billes de 5 mm, la pulpe face aux fragments, et un scénario à 4 500 m en ordres de grandeur.
Python
06
Le mémoire
Quarante-sept pages, écrites en 2020 puis complétées en 2026, qui disent ce qui date de quand et corrigent les erreurs de 2020 ; toutes les figures et les valeurs régénérées par un programme.
LaTeX · Matplotlib
Fonctionnement détaillé
Faites défiler : le dessin suit.
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Remonter des nodules de 4 000 m de fond
Des nodules riches en métaux reposent entre 4 000 et 5 000 m de fond, et l’Ifremer étudie une façon de les remonter : le pompage par air-lift, essayé en mer dès les années 1970. Avec quels réglages ce pompage est-il le plus efficace ? Les réglages : le débit d’air, seul levier, la part du tube sous l’eau, le point d’injection, la taille des particules. Le critère : la puissance utile pour élever l’eau, rapportée à celle qu’il faut pour comprimer l’air.
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Souffler de l’air au bas d’un tube
On injecte de l’air en bulles au bas d’un tube plongé dans l’eau. Le mélange d’eau et de bulles, plus léger que l’eau qui l’entoure, est poussé vers le haut et entraîne ce qu’il porte : aucune pièce mobile dans le tube, rien qui s’use. Le défaut connu de la méthode : son rendement, assez faible.
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Un modèle qui prédit le débit et le rendement
Un bilan des forces le long du tube, qui tient compte de l’air qui se dilate en montant, des bulles qui glissent dans l’eau au lieu de la porter et du frottement, prédit pour chaque réglage le débit d’eau et le rendement. Sous un débit d’air minimum, rien ne monte. Le glissement des bulles est la première perte, environ 30 % de la poussée, le frottement moins de 3 % ; le meilleur rendement, environ 47 %, vient avec un tube immergé aux quatre cinquièmes, et le plus grand débit n’est pas le meilleur rendement.
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Deux prototypes sur la paillasse
Deux prototypes. Le premier, un tube de 30 mm dans une cuve, avec un débitmètre lu par un Arduino et ses mesures enregistrées en Python ; le débit d’air se déduit de la pression du compresseur, étalonnée à l’anémomètre. Le second, après un rendez-vous avec un professeur des Arts et Métiers : un tube transparent pour filmer l’écoulement, le débitmètre placé sous l’injection, dans l’eau seule, des trous d’injection plus fins, et un grillage en haut pour charger les billes. Pendant le confinement, sans compresseur, un programme lisait la pression sur le manomètre d’une pompe à vélo, par webcam.
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Les débits mesurés, face au modèle
Deux essais sur le premier prototype : le débit d’eau selon le débit d’air, puis selon l’immersion. Les débits mesurés ont l’ordre de grandeur prévu, un peu au-dessus du modèle, mais le débitmètre baignait dans le mélange d’eau et de bulles et ne peut pas le valider. On a vu les gerbes périodiques d’un écoulement à poches. Le second prototype n’a pas été mesuré.
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Faire monter des billes, et ce qui reste à faire
Une particule ne monte que si l’eau va plus vite qu’elle ne retombe : des billes de 5 mm demandent, selon le modèle, au moins 0,23 L/s d’air dans le second prototype, et une pulpe de grains fins se remonte plus facilement que des fragments. Les essais avec les billes n’ont pas eu lieu en 2020 : le mémoire, complété en 2026, en donne les prédictions, un protocole pour les mener, et un scénario à l’échelle d’un tuyau de 4 500 m, en ordres de grandeur.
Fiche technique
- Date
- 2019–2020, complété en 2026
- Contexte
- Un travail scientifique personnel, commencé en prépa au lycée Saint-Louis pour le TIPE, que je voulais poursuivre et finir.
- Avec
- Adrien Girardot
- Technique
- Python (NumPy, SciPy, Matplotlib, OpenCV) · Arduino Uno · débitmètre FS300A · LaTeX