L'énorme potentiel de Wave Energy pourrait enfin être déverrouillé par la puissance du son – de nouvelles recherches
Les vagues océaniques ont longtemps été considérées comme ayant un énorme potentiel comme source d'énergie renouvelable. Les vagues produisent environ 50 billions à 80 billions de watts de puissance dans le monde – près de deux à trois fois la consommation annuelle d'énergie annuelle mondiale.
De nombreux appareils ont été conçus pour capturer et convertir la grande puissance de Waves en électricité, mais les technologies d'aujourd'hui sont confrontées à des défis en matière d'efficacité, en particulier dans les eaux plus profondes. En conséquence, Wave Energy n'a pas encore décollé en tant que source renouvelable de la même manière que le vent et le solaire.
Une façon de contourner ce problème réside dans l'interaction entre deux types d'ondes: ceux à la surface de l'océan et ceux qui résident sous l'eau. Mon groupe de recherche vient de publier un article démontrant comment les ondes sonores sous-marines peuvent être utilisées pour rendre les ondes de surface plus puissantes, ce qui en fait une source d'énergie plus viable.
Les mêmes idées pourraient éventuellement être utilisées pour réduire les risques de tsunamis en les rendant plus petits. De plus, dans un deuxième nouvel article, nous montrons comment les vagues sous-marines peuvent être utilisées pour améliorer le système d'alerte précoce du tsunami d'aujourd'hui.
Les vagues à la surface de l'océan sont souvent créées par une combinaison de vent qui augmente l'eau et la gravité qui le tire vers le bas – donc ils sont parfois appelés ondes de gravité en surface. D'un autre côté, leurs homologues sous-marins sont des ondes sonores produites par des phénomènes comme des tremblements de terre ou des éruptions volcaniques, parfois des milliers de mètres sous la surface.
Ces ondes acoustiques se déplacent en compressant et en élargissant l'eau, similaire à la façon dont le son se déplace dans l'air. Ils voyagent à travers les distances transocéaniques à la vitesse du son dans l'eau (environ 1 500 mètres par seconde) avant finalement la dissipatine. Les ondes de surface se déplacent à des vitesses beaucoup plus faibles, de l'ordre de dizaines de mètres par seconde.
Dans la théorie classique des vagues d'eau, ces deux types de vagues sont considérés comme des entités distinctes, chacune vivant dans son propre monde à son propre rythme. La possibilité qu'ils n'interagissent que sur le dos d'un document de recherche de 2013 que j'ai co-écrit, ce qui a incité mes collègues et moi à rechercher un phénomène connu sous le nom de résonance Triad.
C'est là que deux ondes acoustiques transfèrent de l'énergie à une onde de surface en faisant correspondre sa fréquence, ce qui à son tour fait devenir plus grand et plus puissant de l'onde de surface (en augmentant son amplitude). Cela ouvre la possibilité d'utiliser un générateur d'ondes acoustique pour générer des ondes sonores réglées sur une taille et une fréquence particulières qui amélioreraient (ou supprimeraient également) les ondes de surface.
Les vagues améliorées permettraient des turbines à vagues d'aujourd'hui et des colonnes d'eau oscillantes (qui utilisent la puissance des vagues pour forcer l'air à travers une turbine) pour produire plus d'électricité, surmontant efficacement leur problème d'efficacité.
La principale exigence serait un générateur d'ondes acoustique qui pourrait être finement réglé à l'échelle requise. Les générateurs d'ondes acoustiques existent déjà à des fins de laboratoire, il s'agit donc d'une question de réapprovisionnement d'une technologie existante.
Nos résultats de recherche montrent que la résonance de la triade peut augmenter la hauteur des vagues de surface de plus de 30%. Bien sûr, le générateur nécessiterait de l'énergie, bien que l'espoir soit que cela pourrait également être alimenté par des vagues pour minimiser les émissions de carbone. Un défi supplémentaire consiste à s'assurer que les méthodes sont développées pour utiliser l'énergie acoustique efficacement pour s'assurer que la moins possible l'énergie est gaspillée.
Notre prochaine étape consiste à produire des simulations plus numériques et à mener une série d'expériences de laboratoire à petite échelle examinant comment la résonance Triad fonctionne dans la pratique. Ceux-ci aideront à affiner nos théories et à évaluer leur faisabilité, espérons-le, dans l'espoir de transformer cela en réalité commerciale.
Atténuation du tsunami
J'ai suggéré à l'origine la possibilité de réduire la hauteur des ondes de tsunami en manipulant les ondes acoustiques sous-marines en 2017. Dans le nouvel article, nous examinons cela plus en détail.
Nous avons constaté que le mécanisme de résonance avait certainement eu lieu à une échelle océanique pendant le tremblement de terre et le tsunami des Tonga 2022. Cela montre qu'il est théoriquement possible de manipuler la taille d'un tsunami en utilisant notre technique.
Le défi réside dans la génération et la réalisation des ondes acoustiques à l'échelle et à la configuration requises dans des conditions réelles. Ce serait plus difficile que d'utiliser des ondes acoustiques pour aider à exploiter l'énergie, notamment en raison de l'échelle des tsunamis, ce qui nécessiterait un générateur d'ondes acoustique beaucoup plus puissant.
D'autres problèmes à surmonter seraient de connaître les propriétés exactes du tsunami en temps réel, et le risque que l'utilisation des mauvaises configurations puisse en fait rendre la vague plus grande au lieu de plus petite.
Bien qu'il puisse prendre un certain temps pour rendre ces ondes acoustiques faisables et peut également aider à atténuer les tsunamis d'une manière différente. Notre deuxième article démontre que la surveillance et l'analyse de ces vagues en temps réel pourraient compléter les technologies existantes et émergentes pour prédire les tsunamis, y compris les bouées océaniques et les sismomètres.
Il y a actuellement des milliers de sismomètres déployés dans le monde, mais ils ne surveillent que les tremblements de terre, tandis que les tsunamis peuvent également être causés par des glissements de terrain, des explosions et des éruptions volcaniques. Même avec les tremblements de terre, les grandes lectures sismiques n'impliquent pas toujours de gros tsunamis. Cela peut conduire à de fausses alarmes, comme en Alaska en 2018.
Pendant ce temps, les bouées océaniques, qui mesurent le niveau de la mer et la pression de l'eau, sont souvent défectueuses en raison de leurs conditions de fonctionnement, et également relativement lentes pour donner des avertissements lorsque les tsunamis (selon mes calculs) peuvent se déplacer à des vitesses allant jusqu'à 200 m par seconde dans l'océan profond. https://www.youtube.com/embed/ugil3drjwi0?wmode=transparent&start=0
Un système complémentaire consiste à mesurer les ondes acoustiques à l'aide d'un microphone sous-marin appelé hydrophone. Ceux-ci capturent les ondes acoustiques créées par tous les phénomènes qui provoquent des tsunamis, et la vitesse à laquelle ces vagues se déplacent signifie que seulement 30 stations d'hydrophone pourraient couvrir les zones à haut risque du tsunami du monde entier.
Cela pourrait être particulièrement vital pour les communautés côtières près de la source d'un tsunami. Il soutiendrait également les objectifs mondiaux pour les villes côtières plus résilientes, telles que l'objectif de l'UNESCO à préparer tous ces endroits «Prêt au tsunami» d'ici 2030.
Usama Kadri, lecteur des mathématiques appliquées, Université Cardiff
