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Des chercheurs japonais transforment des déchets alimentaires en ciment pour la construction

Circular Onopia - Associate Professor Yuya Sakai, a specialist in sustainable construction materials at UTokyo-IIS's Department of Human and Social Systems

L' »alchimie » de la durabilité 

Le professeur associé Sakai transforme les déchets de légumes et de fruits en matériaux de construction solides pouvant être consommés en cas d’urgence.

Face aux préoccupations environnementales croissantes dans le monde, le développement durable est passé du stade de vœu pieux à celui de nécessité absolue. 

Le professeur associé Yuya Sakai, de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo (UTokyo-IIS), a pour mission de développer des technologies qui font de la construction écologique une option pratique et économiquement viable. En particulier, M. Sakai a exploité une « alchimie » moderne qui transforme les déchets alimentaires et les parties non comestibles de la nourriture en matériaux de construction plus résistants que le béton.

 

Au milieu des années 2020, le professeur associé Yuya Sakai, spécialiste des matériaux de construction durables au département des systèmes humains et sociaux de l’UTokyo-IIS, a pris connaissance de résultats de recherche stupéfiants : Un nouveau matériau fabriqué à partir de choux chinois avait une résistance à la flexion quatre fois supérieure à celle du béton.

Ces résultats inattendus – mais bienvenus et révolutionnaires – ont été rapportés à M. Sakai par l’un de ses étudiants de premier cycle, Kota Machida, qui réalisait des expériences consistant à fabriquer des matériaux de construction à partir de divers aliments comestibles et non comestibles. M. Machida était également ravi que les expériences menées sous la direction de M. Sakai aient donné des résultats aussi étonnants.

« Au départ, je pensais que nous pourrions fabriquer des morceaux à partir de ces matériaux, mais je n’avais jamais imaginé qu’ils seraient aussi solides », a déclaré M. Sakai. « C’est à ce moment-là que j’ai acquis la certitude que nous pouvions fabriquer des matériaux de construction solides et à valeur ajoutée à partir de déchets alimentaires. »

Cette nouvelle technologie pourrait contribuer à réduire le gaspillage alimentaire au Japon, qui est devenu un problème social croissant ces dernières années. Selon le ministère de l’Environnement, le Japon a produit environ 6 millions de tonnes de déchets alimentaires – comestibles mais jetés pour une raison ou une autre – en 2018. La nation a également jeté environ 19 millions de tonnes d’articles alimentaires « non comestibles », tels que des peaux, des feuilles extérieures, des récoltes endommagées ou des produits agricoles « non standard », trop gros, trop petits ou n’ayant pas l’apparence souhaitée. La plupart d’entre eux finissent par être utilisés comme engrais et aliments pour animaux, ou sont incinérés ou enfouis comme déchets.

Un autre avantage considérable de ces matières premières est que leur acquisition ne vous ruine pas. Elles peuvent souvent être obtenues gratuitement et, dans certains cas, une petite rémunération est versée à ceux qui les emportent, a précisé M. Sakai.

La température est la clé de la fabrication de matériaux solides

Selon la méthode mise au point par l’équipe de Sakai, dont le brevet est en cours d’homologation, les légumes et les fruits sont séchés, transformés en poudre, puis soumis à une compression thermique. Les matériaux conservent une partie de l’arôme et du goût de l’aliment.

Le premier obstacle majeur a été de trouver la bonne température. « Nous avons d’abord chauffé les aliments en poudre, comme les feuilles de thé, à 200℃, mais ils finissaient par brûler ou devenir pâteux », explique M. Sakai. « Après avoir compris que nous devions appliquer la température optimale à chaque aliment spécifique, les recherches se sont déroulées sans problème. »

Les températures appliquées varient, mais tournent en moyenne autour de 100℃. Ce processus n’émet pas beaucoup de dioxyde de carbone (CO2). La pression appliquée au mélange est d’environ 20 MPa, soit l’équivalent de la pression à 2 000 mètres sous la mer.

La résistance à la flexion acquise dépend également des ingrédients. Le matériau fabriqué à partir de chou chinois a donné la plus grande résistance, tandis que celui fabriqué à partir de citrouille était faible. L’ajout de chou chinois à la citrouille a augmenté la résistance, a ajouté M. Sakai.

La raison exacte pour laquelle ce processus crée des matériaux aussi résistants reste à l’étude, mais M. Sakai suppose que le sucre contenu dans l’aliment est ramolli par la chaleur, qu’il s’écoule dans les interstices entre les fines particules de poudre pendant la compression et qu’il sert d’adhésif une fois refroidi. Un matériau fabriqué à partir de chou chinois pourrait résister à 18 MPa, soit bien plus que les quelque 5 MPa du béton.

Les résultats de la recherche ont fait naître l’espoir que ces matériaux pourraient remplacer une partie, voire la totalité, du béton utilisé dans la construction, à une époque où ses ingrédients, tels que le sable, le gravier ou les pierres concassées, se font rares. Le ciment, un adhésif pour les ingrédients du béton, est fabriqué, entre autres, à partir de calcaire qui doit être chauffé jusqu’à 1 500℃ pour brûler. Ce processus nécessite une énergie émettrice de CO2 et libère également ce gaz à partir du calcaire. En fait, les émissions de CO2 dues à la fabrication du ciment représentent un pourcentage stupéfiant de 8 % des émissions mondiales.

Rendre les matériaux de construction comestibles

Un autre aspect étonnant de ces matériaux est qu’ils sont comestibles. Selon M. Sakai, manger des matériaux de construction n’a rien de nouveau au Japon. « Par exemple, le château de Kumamoto est connu pour utiliser certains matériaux de construction comestibles », a déclaré M. Sakai. Ce château construit il y a des siècles dans la préfecture méridionale de Kumamoto aurait utilisé des tiges de taro pour les tatamis et inclus des copeaux de calebasse séchée pour les murs afin de fournir de la nourriture lorsqu’il était assiégé.

L’équipe a vérifié que les assaisonnements tels que le sucre, le sel et le bouillon en poudre renforcent la résistance globale. Les matériaux peuvent également être utilisés pour fabriquer des accessoires, de la vaisselle et des meubles, pour n’en citer que quelques-uns. « Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des assiettes », a déclaré Sakai. « Vous pourriez manger un repas et l’assiette aussi ».

La prochaine tâche consiste à améliorer la durabilité des matériaux. L’équipe de Sakai mène des expériences avec des agents imperméabilisants comestibles après avoir confirmé que les agents conventionnels utilisés pour le bois fonctionnent bien mais ne sont pas comestibles.

Depuis que les nouveaux matériaux ont été dévoilés en mai 2021, l’équipe de Sakai a reçu des suggestions pour essayer divers aliments, notamment des algues, des coquilles de crabe et des champignons. « Les gens nous envoient toutes sortes de déchets alimentaires à inclure dans nos expériences », a déclaré Sakai. « Nous espérons fabriquer de bons matériaux qui combinent différents types de déchets alimentaires ».

S’attaquer aux problèmes du béton

Sakai participe à plusieurs projets de recherche sur le béton. L’un d’eux porte sur le recyclage du béton de manière durable. Selon lui, le broyage de vieilles structures en béton et la compression de la poudre peuvent produire un nouveau béton robuste.

Les recherches de M. Sakai pourraient même avoir des implications qui vont au-delà de notre planète. M. Sakai mène des recherches pour déterminer si des particules de sable, par exemple celles qui se trouvent sur la lune, pourraient être collées sans utiliser d’adhésifs conventionnels, comme le ciment ou les résines. « Si ce sable pouvait être maintenu ensemble avec de l’alcool et un catalyseur pour fabriquer des matériaux de construction, des structures pourraient être construites sur la lune », a déclaré M. Sakai.

Lecteur passionné de tous les genres, M. Sakai s’inspire souvent de la lecture de livres pour ses recherches. Sakai est également père de trois jeunes enfants, et il se lève à 5 heures du matin pour avoir le temps, le soir après le travail, de jouer avec eux et de s’en occuper.

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