Passer de la théorie au concret booste l'apprentissage

Voir la théorie s’incarner dans un objet concret et fonctionnel: quoi de plus satisfaisant? Une dizaine d’étudiantes et étudiants de la section de chimie et génie chimique de l’EPFL ont pu l’expérimenter. Après six mois de travail dans le cadre du programme DLL Molecular – Chemical engineering, ils ont pu présenter leur invention: une boîte autochauffante pour aliments pour les uns, et une boîte autorefroidissant destinée au transport de vaccins pour les autres.

Toutes et tous avaient suivi, au premier semestre, le cours intitulé «Chemical engineering product design». Durant ce cours, ils ont conçu leur produit sur papier. Ensuite les étudiants intéressés ont pu présenter leurs candidatures pour construire le produit conçu lors de ce premier cours durant «chemical engineering lab and project» au semestre de printemps. «Ce cours a notamment pour but d’apprendre non seulement à imaginer le design d’un procédé, mais surtout à réinventer les produits du quotidien en termes de durabilité», explique le professeur Jeremy Luterbacher, qui dirige le Laboratoire des procédés durables et catalytiques (LPDC). Cette approche permet de donner aux étudiantes et étudiants plus de liberté, notamment pour exprimer leur créativité, et de développer leur sentiment d’appartenance à l’École et au groupe, tout en assurant l’acquisition de compétences techniques de pointe.

Les participantes et participants devaient choisir une option dans une liste préétablie de projets et développer une solution de manière théorique. Ensuite, les personnes les plus motivées ont été sélectionnées pour réaliser l’objet en vrai sous la forme d’un prototype. Si le cours et la conception de projets sur le papier se font depuis quelques années déjà, c’était la toute première fois que l’occasion était donnée de passer à une réalisation concrète, avec toutes ses étapes et forcément, tout au long du chemin, son lot de défis inattendus - mais riches en enseignements. Et les résultats se sont avérés très probants.

«Les équipes ont non seulement chacune construit quelque chose qui fonctionne, mais elles y ont aussi mis beaucoup de calculs et de méthode. C’est de la belle ingénierie chimique», commente Jeremy Luterbacher, impressionné par le sérieux de ses étudiantes et étudiants. Et le cœur mis à l’ouvrage est bien visible sur les objets, chacun étant doté d’une touche en plus. La boîte autochauffante, réalisée en résine par impression 3D, est élégante et décorée. La boîte autoréfrigérante a un nom, Frigivax, et son logo, soigneusement gravé sur le couvercle.

Faire chauffer les idées

Imaginer un système n’utilisant ni microondes ni électricité était l’une des contraintes de départ. Le groupe de la boîte chauffante a opté finalement pour un coussinet rempli d'oxyde de calcium, qui réagit avec l'eau. Ce composé chimique, utilisé traditionnellement dans le domaine de la construction, notamment sous la forme de chaux, réagit lorsqu’il est en contact avec de l’eau. Il forme alors de l'hydroxyde de calcium et génère de la chaleur. Il suffit donc de poser le coussinet au fond de la boîte, de bien l’humidifier, de mettre la nourriture par-dessus et de fermer le couvercle. Au bout de 10 minutes, le repas est chaud et prêt à être consommé. Des tests ont montré qu’à l’intérieur, la température pouvait monter jusqu’à 100 degrés. Autre avantage: le contenu du coussinet peut être récupéré et réutilisé, ce qui est donc un bon point pour la durabilité du projet.

Mais pour aboutir à ce résultat, tout n’a pas été simple. Ce sont d’abord leurs neurones que les quatre jeunes ont fait chauffer. «Nous avons commencé par au moins deux mois de pur brainstorming», raconte Jana Lukic. «Durant ce temps, nous avons mis une centaine d’idées sur la table», ajoute Lorenzo Mazzoli. «Nous avons passé en revue toutes les options possibles, pour nous retrouver au final avec cinq ou six possibilités réalistes», décrit Ting-Wei Weng. «Nous avons même envisagé les idées les plus absurdes, comme celle de battre la nourriture pour générer de la chaleur», renchérit Maxime Brunisholz.

Parmi les défis majeurs rencontrés en cours de route, il y a eu celui du caractère extrêmement basique, chimiquement parlant, de l’hydroxyde de calcium. Ainsi, le toucher directement peut occasionner de sérieuses brûlures. Le problème a finalement pu être résolu en ajoutant de l’acide citrique.

Lors de l’examen oral, j’ai même pu goûter le résultat, ce qui en a fait un moment très original

Ajouter du bricolage à la science

Pour la réalisation de la glacière autoréfrigérante, le défi à relever était de trouver une solution permettant de maintenir une température entre 2 et 10 degrés sur plusieurs jours. Pour cela, deux axes étaient importants: absorber la chaleur, et concevoir toute la partie isolation de la boîte.

Pour répondre au premier, l’équipe s‘est orientée vers une propriété partagée par la plupart des matériaux: un solide qui fond génère du froid, et un liquide qui gèle génère du chaud. Les étudiants ont épluché des travaux de la NASA, qui a mené des recherches et répertorié les propriétés physiques de matériaux permettant de réfrigérer, afin de trouver ceux agissant dans une gamme de température allant de 2 à 10 degrés. Finalement, le choix s’est porté sur le tétradécane, utilisé sous forme de poches glacées déposées dans le fond de la boîte.

Cette paraffine fond à environ 6 degrés, assurant ainsi une sorte d’équilibre de température de la boîte autour de 6 degrés. «Si la température extérieure est de 40 degrés, le système durera deux fois moins longtemps qu’à 25, ceci avec la même quantité de tétradécane, explique Raphaël Finizola. On peut donc faire du sur mesure, en mettant plus ou moins de paraffine selon les conditions et les besoins.»

Pour l’isolation, c’est d’abord le Sagex qui a été retenu. Mais cela ne suffisant pas, les étudiants ont ajouté des panneaux sous vide. «Cette combinaison du matériau et des isolants nous a permis d’obtenir un bon résultat, l’intérieur de la boîte passant de 2 à 6 degrés en seulement quatre jours, se réjouit Lise Boitard-Crépeau. De tels systèmes de réfrigération autonomes, ça existait déjà, mais aucun ne fonctionne sur un temps aussi long». La boîte Frigivax est conçue pour le transport de vaccins, mais également potentiellement d’autres denrées ou même d’organes. Tous les éléments sont également recyclables et réutilisables.

«C’était une expérience complète et intéressante, relève Simon Baillet. Être dans le rôle d’ingénieurs autonomes, qui doivent aussi bien penser aux technologies à implémenter qu’aux choix des matériaux et au respect du budget alloué, était très instructif. Et ajouter un peu de bricolage à notre cursus très scientifique, c’était bienvenu.»