Due to climate change, drought episodes are becoming longer and more intense. This leads to parched and compacted soil which is less permeable to water. When rain finally happens water cannot reach the subsoil easily, leading to more frequent flooding and aquifers not being recharged. So water shortages are worsening from one year to another.

One way to alleviate the problem would be to bypass the parched soil with a vertical pipe long enough to reach permeable layers. This recharge station is mainly a radiatively-cooled dew collector but the funnel shape work well for rainwater. The support structure is based on the Hills Hoist rotary clothesline.

Incidentally, I found a similar but lower-tech method called the recharge tube.

Du fait du changement climatique, les épisodes de sécheresse deviennent plus longs et plus intenses. Cela conduit à un sol desséché et compacté qui est moins perméable à l'eau. Quand la pluie arrive enfin, l'eau ne peut pas atteindre facilement la nappe phréatique ce qui conduit à des inondations plus fréquentes et des aquifères qui ne se rechargent pas. Et donc les pénuries d'eau s’accentuent d'année en année.

Une méthode pour pour réduire ce problème serait de contourner le sol compacté avec un tyau vertical suffisamment long pour atteindre les niveaux perméables. Cette station de recharge est principalement un collecteur de rosée refroidi par rayonnement mais la forme en entonnoir et la base perforée fonctionne aussi bien pour la pluie et l'eau de ruissellement. La structure de support est basée sur le séchoir rotatif Hills Hoist.

Par ailleurs, j'ai trouvé une méthode similaire mais plus rustique appelée le tube de recharge.

This idea is the second one I elaborated on the fly for someone else, in this case a maker from Haiti who wanted to build an automatic banana peeler. He envisioned a complex electronic system with sensors, servos and Arduinos, but I preferred a purely mechanical system which would be easier to maintain or repair on site.

Of course, such machines already exist and can be bought online, but they are simpler with only two cutting blades and have a semi-automatic process : the operator must cut the banana extremities himself then insert the banana in the machine in the correct orientation, as shown in this video.

Cette idée est la seconde que j'ai élaborée de tête pour quelqu'un d'autre, en l’occurrence un bricoleur originaire d’Haïti qui voulait construire un éplucheur automatique de bananes. Il envisageait un système électronique complexe à base d'Arduinos, de capteurs et de servomoteurs, mais je préférais un système purement mécanique plus facile à maintenir ou réparer sur place.

Bien sur, de telles machines existent déjà et peuvent être commandées en ligne. Mais elles sont plus simples avec seulement deux lames et leur opération est semi-automatique : l'opérateur doit couper lui-même les extrémités de la banane puis l'insérer dans la machine dans la bonne orientation, comme montrée dans cette vidéo.

I recently read an expert interview (in French) on the Chilean strategy concerning the production and transformation of lithium. The photos of salt ponds in the Atacama desert made me think of all the evaporated water which is not captured, although placing plastic screens over the ponds would be difficult at this scale. But I imagined a continuous system where a hydrophile belt picks up a thin film of saltwater which is quickly evaporated into freshwater then the resulting salt is scrapped from the belt.

J'ai lu récemment une interview d'expert sur la stratégie du Chili concernant la production et transformation du lithium. les photos des marais salants dans le desert d'Atacama m'ont fait penser à toute l'eau évaporée qui n'était pas capturée, même si placer des écrans en plastique au-dessus des bassins serait difficile à cette échelle. Mais j'ai imaginé un système fonctionnant en continu où une bande hydrophile récupère un fin film d'eau salée qui est rapidement évaporée en eau douce puis le sel resultant est raclé de la bande.

There is a lot or R&D towards vertical farming (the cultivation of crops in superposed trays under artificial lighting) but combining solar panels and LEDs introduces significant efficiency losses.

However, recent experiments showed that numerous food-producing organisms can be grown in the dark by supplying them with acetate produced from water, carbon dioxide and electricity. The original paper uses solar panels for electricity and makes no mention of recycling food waste, so I imagined a variant centered on biogaz and augmented by an electro-protein bioreactor to supplement the vegetables produced.

Il y a beaucoup de R&D concernant l'agriculture verticale (la culture de végétaux dans des plateaux superposés sous éclairage artificiel) mais la combinaison de panneaux solaires et les LED introduit des pertes d'efficacité significatives.

Cependant, des expériences récentes montrent que de nombreuses organismes nutritifs peuvent pousser dans le noir à l'aide d’acétate produit à partir d'eau, de dioxyde de carbone de d’électricité. Le papier d'origine emploie des panneaux solaires pour l’électricité et ne fait pas mention du recyclage des déchets alimentaires, donc j'ai imaginé une variante centrée sur le biogaz et augmenté par un bioreacteur produisant une poudre de protéine pour compléter les végétaux produits.

The French island of Mayotte is suffering from a months-long water crisis amplified by the inaction of public authorities. The situation is such that potable water is only available one day out of three.Since the island is tropical in nature, solar desalination is a feasible alternative source of potable water. I wanted to design a system with appropriate technology and a quick installation, based mainly on the Watercone floating solar still and the EMAS handpump. The limited output means this plant is focused on drinking water rather than agriculture.

L'île française de Mayotte subit depuis plusieurs mois une crise de l'eau amplifiée par l'inaction des pouvoirs publics. La situation est telle que l'eau potable n'est disponible qu'un jour sur trois. Comme l'île est de nature tropicale, la désalinisation solaire est une source alternative d'eau potable. J'ai voulu concevoir un système avec un niveau de technologie approprié et une installation rapide, basé principalement sur l'alambic solaire flottant Watercone et la pompe à main EMAS. Le débit limité signifie que le système est focalisé sur l'eau de boisson plutôt que l'agriculture.

I often drew ideas in architecture and urbanism when I was young, but I find now difficult to design a concept which has not been already published or tested. As such, this concept is the combination of two existing systems designed respectively in 1910 et the 1980s : the lamella roof and the Chineese greenhouse. The greenhouse is half-buried to benefit from the thermal mass of the earth and get the soil below the frost-line.

Je dessinais souvent des idées en architecture et urbanisme quand j'étais jeune, mais je trouve difficile maintenant de concevoir une idée dans ces domaines qui n'a pas déjà été publiée ou testée ailleurs. De ce fait, le concept ci-dessous est une combinaison de deux systèmes existants : le toit lamellaire (1910) et la serre chinoise (1980-2010). La serre est à moitié enterrée pour bénéficier de la masse thermique de la terre et pour placer le sol cultivé sous la profondeur de gel.

This concept combines the seawater greenhouse (desalination from evaporation of seawater then condensation of water vapor) and the solar chimney (creation of an artificial wind from a mass of cooled/heated air) to make a self-contained agricultural system. The greenhouse section allows to grow plants in zones where seawater is abundant but freshwater is scarce, while the tower section creates enough wind energy to run the pumps and other subsystems.

Ce concept combine la serre à eau de mer (dessalinisation par évaporation d'eau de mer puis condensation de la vapeur d'eau) et la cheminée solaire (création d'un vent artificiel à partir d'une masse d'air refroidie ou chauffée) pour obtenir un système agricole auto-suffisant. La serre permet de faire croître des plantes dans des endroits où l'eau de mer est abondante mais pas l'eau douce, tandis que la tour crée assez d'énergie éolienne pour faire tourner les pompes et autres sous-systèmes.

There are many processes to desalinate seawater (evaporation, reverse osmosis, ) but all require external energy to function. A long time ago, I find an old patent pretending to the contrary : it was basically a copper/aluminum seawater-activated battery where the electrodes are very close to each other, generating an electric field strong enough to separate the ions from the water. The desalinated water floats to the surface while the concentrated brine sinks. The important detail here is that the aluminum electrode is consumed in the process and this metal has an embodied energy of 20-200 MJ/kg, depending on the amount of recycling.

While checking if this patent was put into use, I found a more recent one that uses external electrodes and a magnetic field to both desalinate the seawater and pump it via a magnetohydrodynamic (MHD) principle. I decided to combine the two ideas together to create a self-contained process.

Il existent de nombreux procédés pour désaliniser l'eau de mer (évaporation, osmose inverse, ...) mais tous nécessitent une source externe d'énergie pour fonctionner. Il y a longtemps, j'étais tombé sur un vieux brevet qui prétendait le contraire. Basiquement, il s'agit d'une batterie cuivre/aluminium activée par l'eau de mer où les électrodes sont très proches l'une de l'autre. Cela génère un champ électrique suffisamment fort pour séparer les ions de l'eau de mer. L'eau désalinisée est moins dense et flotte à la surface, tandis que la saumure coule au fond de l'appareil. L'anguille sous roche est que l'électrode en aluminium est consommé par le processus et ce métal a une énergie de fabrication de 20 à 200 MJ/kg en fonction du pourcentage de recyclage.

En voulant vérifier si ce brevet a été utilisé, j'en ai trouvé un autre plus récent qui emploie des électrodes externes et un champ magnétique pour à la fois désaliniser l'eau et la pomper par un mécanisme magnétohydrodynamique ou MHD. J'ai décidé de combiner les deux idées pour créer un processus auto-contenu.

This invention comes from a story idea which is partially inspired by the migrant crisis in the Mediterranean Sea, but oriented more towards the theme of survival through ingenuity like in "The Martian" by Andy Weir.

At the start, a column of refugees from Central Africa is fleeing north. First they stumble upon an abandoned village featuring several biodigesters and gas bags, then one of their members indicates knowing how to create leaf concentrate from foraged vegetation. Combining these two systems, they create a method to better feed themselves and create enough energy to cook. The biodigesters are placed on the roofs of pick-ups and trucks, but do not fuel the vehicles contrary to what media says.

Cette invention provient d'un embryon d'histoire (La caravane du méthane) qui est partiellement inspirée par la crise migratoire en mer Méditerranée, but orientée davantage vers le thème de la survie par l’ingéniosité comme dans le livre "Le Martien" d'Andy Weir.

Au début de l'histoire, une colonne de réfugiés d’Afrique centrale fuit vers le nord. Ils tombent sur une village abandonné contenant plusieurs générateurs de biogaz et sacs de stockage de gaz puis l'un des réfugiés se rappelle comment créer du concentré foliaire à partir de la végétation locale. En combinant ces deux systèmes, ils créent une méthode pour mieux se nourrir et générer assez d'énergie pour cuisiner. Les digesteurs sont placés sur le toit de certains pick-up et camions, mais ne fournissent pas de carburant aux véhicules contrairement à ce que les médias en disent.

This idea came to me while rechecking the basics of reverse osmosis for desalination. It was noted that seawater has around 27-30 bar of natural osmotic pressure that must be overcome to generate freshwater. This corresponds to a 300m tall water column, so I imagined using the oceans' own depth to desalinate seawater with a reduced energy demand.

The two systems presented here use this principle in different ways, with their own strengths and limitations. The noria variant came first but was more difficult to iron out.

L'idée suivante m'est venue en révisant les bases de la désalinisation par osmose inverse. J'ai noté que l'eau de mer a une pression osmotique naturelle de 27-30 bar qu'il faut surmonter pour produite de l'eau douce. Cela correspond à une colonne d'eau de 300 m de haut, donc j'ai imaginé d'utiliser la profondeur des océans pour désaliniser l'eau de met en demandant moins d'énergie.

Les deux systèmes présentés ici utilisent ce principe de manière différente, avec leurs avantages et inconvénients. La version à noria m'est venu en premier, mais a été plus difficile à concevoir.

This is an improvement on a design by Bill Mollison (called the father of permaculture) for a low-tech and low-energy fertilizer generator. The system uses titanium dioxide (the compound in white paint) to catalyse the reaction between water and nitrogen that forms ammonia. This version aims to increase the nitrogen flow rate (by forced injection rather than passive diffusion) and the useful fraction of catalyst (in particle or thin film form rather than a mix of sand of TIO2) from the original design.

Je cherche à améliorer un concept de Bill Mollison (surnommé le père de la permaculture) pour un générateur d'engrais low-tech. Ce système utilise du dioxyde de titane (le composé principal des peintures blanches) pour générer de l'ammoniac à partir d'eau et d'azote. Cette version vise à accroître le flux d'azote dans le système (par injection forcée à la place de la diffusion passive) et la fraction utile de catalyseur (sous forme de particules ou de film mince plutôt que intégré dans du sable) mais le rendement possible reste limité.

When I stumbled on the Wikipedia article for center-pivot irrigation, I noticed from the photos that the circular fields were not plowed and planted in a circular manner. This irked me so I designed a simple system to plow a circular surface along a continuous Archimedes spiral. It takes inspiration from the concept of cable cultivation (see the "Pedal Powered Winch" section) where a stationary motor tows the plow with a cable.

Quand je suis tombé sur l'article Wikipédia à propos de l'irrigation à pivot central, j'ai remarqué via les photos que les champs circulaires n'étaient pas labourés et plantés de manière circulaire. Cela m'a fait tiqué donc j'ai conçu un système simple pour labourer une surface circulaire selon une spirale d'Archimède continue. Il prend inspiration du concept de culture par câble (voir la section "Le treuil à pédales") où un moteur stationnaire tracte la charrue avec un câble.

A windpump gets you water in semi-arid regions, but what to do when the well runs out ? Unless you have atmospheric conditions where fog nets are usable, condensing water from ambient air is an energy-intensive process. However, a modified windpump could do just that with relatively low-tech methods. And it is the occasion to use my knowledge of cryogenic systems acquired in engineering school !

The water extraction process uses 3 steps :

1. The humid air is compressed at constant temperature by a hydraulic trompe powered by the windpump.
2. The compressed air is precooled in a heat exchanger by the treated cold air.
3. The cooled compressed air is expanded in a Joule-Thomsom valve without heat exchange, the resulting drop of temperature resulting in the condensation of water vapor into droplets.

Un moulin à eau permet d’irriguer les cultures dans des régions semi-arides, mais qu faire quand le puits s'assèche ? A part lorsque les conditions atmosphériques conditions où des fillets à brouillard sont utilisables, condenser la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant est un processus très énergivore. Cependant, un moulin à eau modifié peut réaliser cela avec des méthodes relativement low-tech. Et c'est l'occasion d'employer mes connaissances sur les systèmes cryogéniques acquises en école d'ingénieur !

Le processus d'extraction de l'eau a 3 étapes :

1. L'air humide est compressé à température constante par une trompe hydraulique actionnée par le moulin à eau.
2. L'air compressé est refroidi dans un échangeur de chaleur par l'air froid déjà traité.
3. L'air compressé refroidi est détendu sans échange de chaleur dans une valve de Joule-Thomsom, la chute de température entraînant la condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes.