Capteurs intelligents : quand les bâtiments prennent vie

Les capteurs des bâtiments vont devenir de vrais organes sensoriels, dont Siemens entend réunir la plupart des fonctions sur une seule et même puce.

Longtemps trop coûteux pour les bâtiments, les capteurs sont devenus plus petits, moins onéreux et plus souples, à l’instar du capteur de CO2 de Siemens

À Munich, lorsque le physicien de Siemens Corporate Technology, Rainer Strzoda, arrive au travail et souhaite vérifier le bon fonctionnement de la climatisation, il lui suffit de consulter un petit dispositif mural. Aujourd’hui, ce prototype de capteur optique à laser développé par les scientifiques de Siemens indique 400 ppm de CO2. « C’est correct si l’on considère que notre atmosphère en contient 380 ppm », précise Rainer Strzoda. « La pièce renferme donc un peu plus de dioxyde de carbone que l’extérieur ». Tandis que Rainer Strzoda et ses collègues travaillent sur leurs inventions et discutent de leurs résultats, la teneur en CO2 atteint progressivement 600-700 ppm, simplement parce qu’ils respirent.

Pas d’inquiétude toutefois : dans la plupart des bureaux et salles de conférence du monde entier, la quantité de CO2 dépasse 1000 ppm, le niveau à partir duquel l’on commence à être incommodé, à se sentir fatigué et à se déconcentrer. La majorité des bâtiments ne possèdent pas de capteurs de CO2, mais cette situation devrait bientôt changer, selon Maximilian Fleischer, qui dirige le groupe de recherche de Rainer Strzoda. Son équipe est à l’origine de nombreuses innovations dans le domaine de la détection, lesquelles ont donné naissance à des produits Siemens. Avec près de 150 brevets à son actif, Maximilian Fleischer est l’un des inventeurs les plus prolifiques de Siemens.

Contrairement aux capteurs de luminosité et de température, les capteurs de gaz – des microsystèmes électromécaniques (MEMS) composés de puces de silicium et d’une couche oxydante – sont relativement récents. Encore au stade de développement, ces capteurs optiques à laser devraient toutefois être commercialisés prochainement.

Quant au capteur d’oxyde de gallium – invention capitale dans la carrière de Maximilian Fleischer – il mesure depuis quelques années déjà la teneur en CO des gaz d’échappement de milliers de petites installations de chauffage, permettant d’optimiser leur rendement énergétique et leur niveau d’émissions.

Dans un tout autre domaine, Siemens pourrait bientôt lancer la production d’un capteur mesurant le taux d’alcoolémie dans l’haleine. La Suède a d’ailleurs annoncé son souhait de devenir le premier pays au monde à l’associer à un système d’immobilisation du véhicule afin d’empêcher les personnes en état d’ébriété de conduire. Cette technologie, sous licence Siemens, est également applicable aux trains, aux tramways et à tout type de machines potentiellement dangereuses.

Petits capteurs, grandes économies

Jusqu’à récemment, les capteurs étaient rarement utilisés dans les bâtiments en raison de leur coût et de la complexité de leur installation et de leur entretien. Cependant, les tout derniers développements dans le domaine des puces de silicium à source d’alimentation et module radio intégrés ont attiré l’attention d’exploitants qui voient en ces capteurs d’importantes sources d’économies. D’après Intechno Consulting, le marché annuel mondial des systèmes de détection des gaz devrait avoisiner les 2,9 milliards d’euros en 2010.

Les capteurs vont jouer d’une façon ou d’une autre un rôle crucial dans les bâtiments de demain. « Les habitations ne seront plus des coquilles vides, mais des systèmes intelligents qui communiqueront avec leurs occupants », prédit le Dr Osman Ahmed, qui encadre une équipe Innovation au sein de Siemens Building Technology, à Buffalo Grove, dans l’Illinois.

Dès qu’il sera possible de produire à moindre coût des puces de capteurs sans fil, des milliers d’entre elles pourront être reliées au sein d’une infrastructure parfaitement organisée. « Avec les capteurs, nous pourrons imiter la Nature », anticipe Osman Ahmed. En effet, à l’instar des organes sensoriels et des nerfs qui fournissent continuellement des informations à notre cerveau pour nous aider à prendre des décisions, les processeurs des systèmes de gestion technique des bâtiments recevront et traiteront les données de milliers de capteurs, puis commanderont de manière appropriée une multitude de sous-systèmes.

En association avec des données sur les utilisateurs, ces systèmes pourront assumer de nombreuses nouvelles fonctions et services. Les occupants pourront leur indiquer à quelle heure ils arrivent, quel mécanisme de sécurité utiliser et quelles pièces ventiler. Divers capteurs informeront systématiquement les systèmes de gestion technique des emplacements où ils ont détecté un défaut dans les sanitaires, une substance corrosive ou un rassemblement de personnes.

Rebekka Kubisch mesure l’acidification, l’impédance et la fréquence respiratoire des capteurs cellulaires (gauche). / Contrairement aux capteurs chimiques, les capteurs de cultures cellulaires réagissent à toutes les toxines (droite).

De véritables détectives

Dans son laboratoire, Maximilian Fleischer développe déjà avec son équipe des capteurs capables de surveiller la qualité de l’air des bâtiments. « À cette fin, nous avons besoin d’une puce qui soit à même de mesurer au moins 4 paramètres : température, humidité, gaz (tels que le CO2) et odeurs », explique-t-il. Ces scientifiques étudient donc différentes substances de détection afin de déterminer lesquelles réagissent le mieux aux gaz à identifier. Dans une installation de pulvérisation cathodique où le plasma prend un reflet bleu, les chercheurs créent des couches d’une épaisseur de seulement quelques microns. À côté, dans le cadre d’une expérience associée, on étudie un petit appareil qui remplit la même fonction, mais par sérigraphie. La technique employée dépend du matériau à recouvrir. Les chercheurs placent ensuite les surfaces d’oxydation ainsi obtenues côte à côte sur les transistors à effet de champ (FET) des puces, dans la combinaison souhaitée : il peut s’agir d’un oxyde mixte de titanate de baryum et d’oxyde de cuivre pour déceler le CO2 ou d’un oxyde de gallium associé à du platine finement réparti pour détecter les odeurs.Les substances étudiées dans le laboratoire de Maximilian Fleischer ne se fixent pas directement à la surface de la puce, mais circulent entre une couche de reconnaissance moléculaire et la structure des FET, modifiant la résistance électrique lisible par la puce et la convertissant en signaux. Si la puce est dotée d’un module radio, elle peut transférer, sans fil, les données aux unités de commande d’un système de gestion technique des bâtiments.

Même si l’image que se fait Osman Ahmed des bâtiments de demain semble encore très visionnaire, le processus est en marche. « Les demandes de confort progressent », précise Andreas Haas, de Siemens Building Technologies, en Suisse. Selon lui, les technologies des bâtiments vont suivre la tendance des voitures, désormais équipées, en série, de systèmes de climatisation sophistiqués.

Toutefois, les exploitants de bâtiments semblent davantage concernés par le potentiel d’économies offert par les capteurs. Il est vrai qu’un capteur est bien moins onéreux que la rénovation d’un immeuble, et qu’associé à une gestion technique optimisée, il peut décupler les gains engendrés. Pour Andreas Haas, des capteurs de température, de qualité de l’air et de présence précis peuvent réduire la consommation d’énergie liée au chauffage, à la ventilation, à la climatisation et à l’éclairage de 30 % par rapport à un bâtiment disposant d’une technologie de gestion technique classique.

Les odeurs nuisent également au confort. « Souvent, les pièces ne sont aérées que lorsqu’elles sentent mauvais », ajoute Maximilian Fleischer. Pourtant, il suffit de nettoyer l’air ambiant à l’aide d’ozone. Ce gaz se fixe, en effet, aux molécules malodorantes et les neutralise en les décomposant. Les chercheurs de Siemens développent alors des capteurs de gaz capables de reconnaître des odeurs caractéristiques. Ils ont ainsi utilisé18 gaz, dont l’éthane, le propylène et l’acétone, pour créer des modèles. L’hexanal, par exemple, est employé dans le test de capteurs de détection des odeurs de moquettes. Les scientifiques travaillent également sur la mise au point de capteurs d’odeurs tenaces. « Ce type de dispositif doit pouvoir fonctionner au moins 10 ans si nous voulons qu’il suscite de l’intérêt sur le marché », poursuit Maximilian Fleischer. Si l’un de ces capteurs communique au système de commande la présence d’une mauvaise odeur dans l’air, ce dernier activera la libération d’ozone.

Le taux d’ozone peut ensuite être contrôlé par un autre capteur afin d’empêcher tout effet voies respiratoires.

Mais le développement des capteurs de gaz soulève la question des sensibilités croisées. En effet, s’il convient d’éviter les fausses alertes, il est primordial que le matériau de détection de la puce réagisse uniquement à la substance à déceler.

Évidemment, ceci s’applique également aux alarmes incendie, dont la plupart se déclenchent en présence de fumée. « Mais il arrive que les personnes situées à proximité du feu inhalent des gaz toxiques bien avant l’alerte », souligne Maximilian Fleischer. Les exploitants de bâtiments sont donc intéressés par des détecteurs de gaz propres aux incendies, qui s’activeraient avant que la fumée ne déclenche l’alarme traditionnelle. Ce type de détecteurs – notamment s’il est combiné à des capteurs d’automatisation de la climatisation – figure en tête des souhaits des exploitants de bâtiments.

Experts universels

Les ingénieurs de Siemens élaborent également des dispositifs optiques à laser susceptibles de localiser à distance la plus forte concentration de gaz dans une pièce. Depuis son laboratoire, l’étudiante Rebekka Kubisch cultive, dans des boîtes de Petri remplies d’un liquide rouge, des cellules destinées à la mise au point de capteurs « vivants » aptes, par exemple, à mesurer la qualité de l’eau. « Nous montons ces cellules sur des puces, nous les exposons à des toxines, puis nous observons leurs réactions », explique-t-elle. Elle examine à présent comment les cellules musculaires squelettiques de rats se comportent avec différents échantillons d’eaux usées. Avec ces capteurs, les cellules réagissent à toutes les toxines, alors qu’avec les modèles chimiques, vous devez connaître à l’avance la substance nocive à tester.

Par ailleurs, les capteurs à cellules peuvent être utilisés dans des bâtiments écologiques qui économisent l’énergie en maximisant le nombre de cycles d’eau et d’air fermés, par exemple. « Des systèmes d’alarme précoces extrêmement sensibles sont alors indispensables », prévient Maximilian Fleischer. Osman Ahmed conclut : « Un jour, les bâtiments n’auront plus besoin d’une source d’énergie extérieure, mais pour y arriver, une multitude de produits intelligents sont essentiels, notamment des capteurs multifonctions. »

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Auteur : Katrin Nikolaus