Problèmes concernant les ressources en énergie, en air, en eau, en alimentation, etc.

Un sous-marin est un navire submersible capable de se déplacer en surface et sous l'eau; il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se déplacent uniquement à la surface, et des bathyscaphes qui ne se déplacent que selon l'axe vertical. La plupart des sous-marins sont des navires de guerre. L'usage civil du sous-marin concerne, pour l'essentiel, la recherche océanographique et l'exploitation pétrolière ; son emploi à des fins touristiques ou de transport commercial reste anecdotique. L'immersion maximale d'un sous-marin militaire est de quelques centaines de mètres. D'une centaine de mètres pendant la Seconde Guerre mondiale, elle est passée à environ 300/400 mètres pour la plupart des sous-marins actuels. Elle atteint plusieurs milliers de mètres pour les sous-marins de recherche océanographique.

L'énergie

Dans les sous-marins classique, le diesel ne fonctionne que si le sous-marin est à la surface. Dans ce cas il recharge les batteries. Lorsque le sous-marin est en plongé, la génératrice fonctionne en moteur et est alimentée par les batterie.

Piles à combustible de nouvelle génération et batteries lithium-ion viennent s’ajouter au système anaérobie MESMA (système de propulsion sous-marin). DCNS ( groupe industriel français spécialisé dans l'industrie navale militaire, l'énergie nucléaire et les infrastructures marines) dévoile à l’occasion de la conférence d’Euronaval sa nouvelle gamme de solutions pour augmenter significativement l’autonomie en plongée des sous-marins conventionnels. Historiquement, il s’agit du talon d’Achille de ces bâtiments par rapport à leurs homologues dotés d’une propulsion nucléaire. Les sous-marins classiques sont, en effet, contraints de remonter régulièrement vers la surface pour faire fonctionner leurs moteurs diesels et, ainsi, recharger leurs batteries, qui assurent les besoins du bâtiment en électricité et fournissent la puissance nécessaire à la propulsion. Afin d’alimenter les moteurs en air, le sous-marin utilise un schnorchel, qui émerge à peine de la surface, et rejette les gaz d’échappement sous l’eau.

Afin de permettre aux sous-marins de rester plus longtemps en plongée, des systèmes anaérobies ont vu le jour ces dernières années. Le premier AIP (sous-marin anaérobie Air-Independant Propulsion, en anglais) développé par DCNS est le MESMA, opérationnel depuis 2008 sur les sous-marins pakistanais du type Agosta 90B. Ce système fonctionne suivant le même principe que la propulsion nucléaire, la source chaude étant remplacée par de l’éthanol (Agosta 90B) ou du gasoil (Scorpene), ce dernier disposant donc d’un seul type de carburant pour le MESMA et ses moteurs diesels. La combustion crée des gaz qui cèdent leurs calories à de l'eau et la transforment en vapeur. Celle-ci se détend dans une turbine,qui fait tourner les alternateurs. Le comburant, ne pouvant être de l'air, est remplacé par de l'oxygène, stocké en bouteilles sous forme cryogénique. Afin d'éviter que les gaz d'échappement, rejetés en mer, impactent la discrétion acoustique du bâtiment, un système dilue les bulles de CO2 dans l’eau. Selon DCNS, le MESMA permet de doubler l'autonomie en plongée, soit deux semaines à faible vitesse.

Technologiquement, le système mis au point par DCNS comprend deux innovations principales. La première est que l’hydrogène servant au fonctionnement des piles à combustible est fabriqué à bord à partir du carburant via un processus chimique de reformage. Celui-ci permet de produire de l’hydrogène à partir du diesel, les gaz d’échappement résultant étant rejetés hors du sous-marin en toute discrétion, puisqu’ils se dissolvent instantanément dans l’eau. En parallèle, DCNS a conçu un système breveté permettant d’injecter de l’azote au niveau de l’arrivée d’oxygène, dans des proportions telles que l’on obtient de l’air. Celui-ci est alors injecté dans les piles à combustible où il réagit avec l’hydrogène pour produire de l’électricité et de l’eau, qui est rejetée.

Le fait que notre sphère soit à demi-immergée facilite le fonctionnement et le chargement des batteries vu que n'importe quel appareil a besoin d'aller à la surface pour un renouvellement électrique des batteries, bien qu'il existe aujourd'hui des systèmes anaérobiques.

De plus, on peut utiliser les énergies marines:

Elles sont utilisées pour désigner toutes les formes d’exploitation des ressources renouvelables issues du milieu marin : marées, courants, vagues, chaleur, salinité, biomasse et enfin les vents.

La planète possèdent de grandes quantités de flux énergétiques qui ont deux origines:

• l’énergie solaire qui est à l’origine des vents, de la houle, des grands courants marins et des différences de température de la mer ;

• la variation de la gravitation due aux positions respectives de la Terre, de la Lune et du Soleil qui engendrent les marées.

Ils existent différents types d'énergies et de ressources énergétiques en milieu marin. Par exemple, l’énergie marémotrice avec les moulins à marée d'autrefois et les usines marémotrices qui exploitent l’énergie potentielle de la marée. Celle-ci correspond à l’énergie liée à la différence de niveau entre deux masses d’eau et aux courants induits.

L’énergie hydrolienne issue des courants, a l’image des éoliennes pour le vent, les hydroliennes exploitent l’énergie des courants de marée. La densité de l’eau est un facteur important à prendre en compte pour appréhender le dimensionnement des machines. Ainsi, pour une puissance installée équivalente, une hydrolienne est beaucoup plus petite qu’une éolienne.

L’énergie houlomotrice issue des vagues et de la houle. Elle est crée à partir des vagues, par le vent à la surface des mers et des océans qui transportent de l’énergie cinétique. Lorsqu’elles arrivent sur un obstacle flottant ou côtier, elles cèdent une partie de cette énergie qui peut être transformée en courant électrique.

L’énergie thermique des mers est issue de la chaleur des océans. Ce procédé vise à exploiter la différence de température entre le fond et la surface de l’océan afin de produire de l’électricité. Par exemple, dans les zones tropicales, la température peut passer d’environ 20°C en surface à environ 5°C au dessous de 1 000 mètres de profondeur. On utilise pour cela des générateurs thermoélectriques, convertisseurs d'énergie transformant directement l'énergie thermique en énergie électrique par effet Seebeck (utilisation de la différence de potentiel). Ce procédé permet également de produire de l’eau douce ou du froid pour la climatisation par grande profondeur. Les océans sont à la fois un vaste capteur et un immense réservoir d’énergie solaire.

L’énergie osmotique est issue de la salinité, sa différence entre l’eau de mer et l’eau douce génère une différence de pression que l’on peut exploiter et transformer en électricité. Si un compartiment d’eau de mer et un compartiment d’eau douce sont mis en contact à travers une membrane semi-perméable, l’eau va naturellement franchir cette membrane vers le compartiment d’eau salée, y créant une surpression. Le débit d’eau alimente alors une génératrice électrique.

L'air

L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes, habituellement en métal inerte (dans la zone de potentiel et de pH considérée) comme le platine immergées dans un électrolyte (ici l'eau elle-même) et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu. Le courant électrique dissocie la molécule d'eau (H2O) en ions hydroxyde (HO–) et hydrogène H+ : dans la cellule électrolytique, les ions hydrogène acceptent des électrons à la cathode dans une réaction d'oxydoréduction en formant du dihydrogène gazeux (H2), selon la réaction de réduction

Alors qu'une oxydation des ions hydroxyde — qui perdent donc des électrons — se produit à l'anode afin de « fermer » le circuit électrique (équilibre de la réaction chimique en charges) :

Ce qui donne l'équation de décomposition par électrolyse suivante :

La quantité de matière de dihydrogène gazeux produite est donc deux fois celle de dioxygène. Selon la loi d'Avogadro, le volume récupéré de dihydrogène produit est aussi deux fois plus important que celui de dioxygène.

L'O2 est extrait par électrolyse de l’eau de mer, on évacue l'H2 à l'extérieur en re-dissolvant celui-ci dans l’eau, en prenant soin de ne pas faire de bulles. Le Co2 est extrait de l'air ambiant par de la chaux sodée, reste l'azote, on complète avec l'o2 nouvellement électrolysée... et ça refait de l'air neuf.

Même si l’humain ne consomme que l’oxygène de l’air et rejette l’azote inspiré qu'il faut séparer le Co2 de l'azote qui sature l'air confiné.

Avant, on faisait passer l'air à travers de la chaux sodée car celle-ci neutralise le Co2, et ne laisse que de l'azote, qu'on enrichit avec le O2 issu de l'électrolyse de l'eau de mer : ce qui créait un nouvel air sain.

Dans, les sous-marins nucléaires, l’électrolyse n’est pas gênante car il y a de l’électricité à revendre mais pour les structures plus classiques c’est d’autant plus compliquer étant donné que ça pompe beaucoup sur l’autonomie des batteries.

Le fait que notre sphère soit à demi-émergée facilite grandement ces problèmes de renouvellement en air étant donné qu'une partie de celle-ci sera à l'air libre. L'oxygène nécessaire pourra être facilement apporté aux poumons et le dioxyde de carbone ainsi que l’azote facilement débarrassés dans le milieu extérieur.

Eau et nourriture

Les sous-marins nucléaires modernes sont limités en autonomie par la quantité de nourriture qu'ils peuvent embarquer. En effet, ils puisent leur oxygène dans l'eau et leurs réacteurs nucléaires, qui produisent l'énergie nécessaire à leur déplacement et à la vie à bord, peuvent utiliser le même combustible sur des années.

Concernant l’eau, un système d’épuration d’eau pourra être mis en place pour traiter l’urine et en faire ressortir de l’eau potable ce qui permettrait la mise en place d'un système de recyclage des eaux car sinon il faudrait aussi stocker toutes les eaux usées.

De plus il peut également être mis en place un système de désalinisation des eaux de mers. On fait bouillir de l’eau de mer pour séparer le sel de la vapeur, laquelle devient de l’eau distille, transformée ensuite en eau potable par ajout de minéraux comme le calcium. Cette eau distillée (H2O) fournit également l’oxygène (O), une fois isolée de l’hydrogène (H2).

Pour la nourriture il est toujours possible d’utiliser la lumière du soleil passant à travers le polycarbonate du haut du dôme pour réaliser des cultures à l’intérieur de la sphère, ce qui permettrait de favoriser un peu la respiration de l’Homme avec notamment le phénomène de photosynthèse. Il y a aussi la possibilité de pratiquer la pêche de poissons à travers un sas installé dans la partie immergée de la sphère. Toutefois, pour que celle-ci flotte, il est impossible d’ouvrir le haut du dôme et le bas en même temps, il faut impérativement que l’un des deux soit fermé donc il faut faire des choix.