Si vous allez à l'épicerie à Montréal, vous achèterez probablement des produits frais. Disons que vous achetez un paquet de fraises Driscoll. Vous ne vous en rendez peut-être pas compte, mais ces fraises ont été cultivées en Californie et ont dû parcourir plus de 4 500 km pour arriver jusqu'à vous, polluant l'environnement à chaque kilomètre.
Outre la pollution par les combustibles fossiles causée par le transport des fruits, il faut également tenir compte de la grande quantité d'eau douce nécessaire aux cultures. À l'échelle mondiale, 70 % de l'eau douce est destinée au secteur agricole, en raison de méthodes d'irrigation non durables. La culture hydroponique et d'autres pratiques agricoles en circuit fermé utilisent jusqu'à 10 fois moins d'eau que les méthodes agricoles traditionnelles et représentent une alternative plus durable pour l'avenir de l'agriculture.
Pour Minh Tran, fondateur d'Ikei, une entreprise dérivée de McGill, l'agriculture à base d'eau recyclée est la solution à cette dépendance à l'égard d'approvisionnements alimentaires non durables. Elle permet de cultiver les aliments à proximité de l'endroit où ils sont consommés, sans avoir à les transporter sur de longues distances. Le dispositif de son entreprise promet d'aider à rendre l'agriculture hydraulique cyclique plus efficace et plus durable en augmentant les rendements et en réduisant les déchets. Avec son cofondateur, le professeur Thomas Szkopek, du département de génie électrique et informatique, et avec le soutien du Fonds d'innovation de McGill, ils s'efforcent de commercialiser leur invention.
Comment fonctionne l'hydroponie ?
La culture hydroponique est un type d'agriculture qui utilise des solutions nutritives à base d'eau pour cultiver des plantes, éliminant ainsi le besoin de sol et de grandes étendues de terre. Dans le contexte actuel d'insécurité alimentaire liée au changement climatique, l'agriculture hydroponique représente une solution rentable pour nourrir durablement les générations futures avec des aliments riches en nutriments. Le marché de l'agriculture hydroponique connaît une croissance rapide, avec un revenu mondial estimé à 12,1 milliards de dollars en 2022, qui devrait atteindre 25,1 milliards de dollars d'ici à 2027.
Plus localement, l'entreprise montréalaise Lufa Farms cultive des produits hydroponiques sur les toits de la ville, pour un chiffre d'affaires estimé à 22 millions de dollars en 2023. Les fermes hydroponiques ne sont pas une utopie : elles sont déjà en train de changer notre façon de manger.
L'agriculture hydroponique présente de nombreux avantages par rapport aux formes traditionnelles d'agriculture. D'un point de vue économique, l'agriculture hydroponique augmente le rendement des cultures, tout en réduisant les coûts d'entretien et le gaspillage de nutriments.
D'un point de vue environnemental, elle préserve la terre et l'eau, élimine le besoin de pesticides et réduit les émissions. Mais malgré ses avantages impressionnants, la culture hydroponique n'est pas sans problèmes.
"L'une des principales sources d'inefficacité dans l'agriculture à cycle d'eau est le déséquilibre des nutriments : au fur et à mesure que la plante pousse, elle consomme certains nutriments plutôt que d'autres", explique M. Tran. "Au bout de quelques cycles de croissance, ce problème peut devenir suffisamment grave pour que le rendement de la culture tombe à zéro.”
"À ce stade, l'agriculteur rince le système pour démarrer une nouvelle culture, gaspillant ainsi l'eau et les nutriments restants dans le système", a-t-il ajouté.
C'est après s'être entretenu avec un agriculteur hydroponique au sujet des difficultés rencontrées par ce secteur émergent que Minh Tran a commencé à réfléchir à l'application de sa technologie dans le contexte agricole. Les avancées technologiques de son équipe pourraient être utilisées dans un appareil qui mesurerait facilement et à peu de frais les nutriments de la solution de culture.
L'un des principaux obstacles à la croissance de la culture hydroponique est le coût élevé et la difficulté d'utilisation des capteurs ion-nutriments utilisés pour mesurer la concentration de nutriments dans les solutions d'eau utilisées pour la culture des produits. Les options actuelles pour les agriculteurs qui cherchent à mesurer les nutriments dans leur milieu de culture sont limitées et coûteuses. Les analyses de laboratoire sont précises, mais leur coût et leur délai d'exécution sont élevés. Il existe également des capteurs à électrodes ioniques sélectives remplies de liquide, mais d'après l'expérience des agriculteurs qui les ont utilisés, ces capteurs sont très coûteux, ont une durée de conservation courte et nécessitent des compétences spécifiques pour être utilisés.
"Les techniques actuelles de mesure des ions sont conçues pour être utilisées en laboratoire, ce qui implique des dépenses importantes en termes d'équipement ou la nécessité de faire appel à un technicien qualifié pour les utiliser. À l'heure actuelle, il n'existe pas de solution suffisamment bon marché et fiable pour qu'un non-spécialiste de l'électrochimie puisse l'utiliser dans une exploitation agricole", a expliqué M. Szkopek.
"Notre invention vise à combler cette lacune par la mise au point d'un capteur à contact solide très facile à utiliser pour les agriculteurs et fonctionnant avec une intervention technique minimale", a-t-il ajouté.
Alignement des étoiles technologiques
Les capteurs d'ions traditionnels sont constitués de deux électrodes, une électrode sélective d'ions et une électrode de référence, et fonctionnent en mesurant le potentiel électrique entre les deux.
En améliorant les deux électrodes respectives, le nouveau dispositif produit par Ikei a une résolution nettement plus élevée, une durée de vie plus longue, est moins cher à fabriquer et plus facile à entretenir.
L'électrode sélective d'ions traditionnelle de l'appareil de mesure est remplacée dans le modèle d'Ikei par une électrode de graphène brevetée. Le laboratoire de M. Szkopek travaille depuis longtemps à la mise au point de capteurs à base de graphène.
"L'une des électrodes est une électrode à base de graphène, constituée d'une seule couche d'atomes de carbone, que nous sommes en mesure de rendre extrêmement sensible à différents ions et à différents nutriments", explique Szkopek.
Au moment où le laboratoire de Szkopek perfectionnait l'électrode de graphène, son doctorant Minh Tran travaillait à l'amélioration de l'autre partie du système de mesure : l'électrode de référence. Les électrodes de référence traditionnelles sont remplies de liquide et doivent être remplacées fréquemment en raison de leur courte durée de vie.
"Après avoir discuté avec de nombreuses personnes au sujet des électrodes de référence, je me suis donné pour mission de développer une électrode de référence compacte et peu coûteuse à fabriquer. C'est grâce à de nombreuses journées et nuits passées au laboratoire à tenter de répéter des expériences et des travaux que nous avons mis au point l'électrode de référence à réservoir solide. L'électrode ne contient pas de liquide et sa durée de vie est donc beaucoup plus longue que celle des électrodes de référence ordinaires", explique M. Tran.
Les avancées technologiques des deux électrodes se sont combinées de manière fortuite et ont poussé M. Tran à chercher une application potentielle. Comme il l'explique, "j'ai vu les étoiles s'aligner et j'ai réalisé que si l'on combinait ces deux inventions, on pourrait vraiment faire quelque chose".
"Avec l'électrode de référence imperméable à l'environnement et l'électrode de graphène que nous avons conçue pour être sensible à une cible spécifique, nous pouvons commencer à réfléchir à la fabrication de systèmes de capteurs utiles pour des applications telles que l'agriculture à base d'eau cyclique", a ajouté M. Szkopek.
Les FIM : Les technologies propres et au-delà
Le projet d'Ikei est soutenu par le Fonds d'innovation de McGill alors qu'il passe du laboratoire à l'espace commercial. "Les FIM ont très généreusement soutenu Ikei pour l'aider à réaliser les expériences qui nous permettront de savoir comment ces capteurs fonctionneront dans un environnement agricole réel et quels sont les problèmes que nous devons résoudre avant que cela ne se produise", a fait remarquer M. Szkopek.
"C'est une étape très importante que de passer de quelque chose qui fonctionne en laboratoire à quelque chose qui fonctionne dans le monde réel, et cette transition est incroyablement difficile à faire parce qu'il y a tellement d'inconnues", a-t-il ajouté.
Ikei a reçu à la fois le prix de l'étape de découverte, d'une valeur de 25 000 $, et le prix supplémentaire Cleantech, d'une valeur de 40 000 $, parrainé par Marc Boghossian, un ancien élève de McGill. En plus du prix, Ikei a reçu son propre comité consultatif de recherche (CCR) du FIM pour faciliter la transition du laboratoire au marché. Des experts des secteurs de l'agriculture et de la restauration, ainsi que de la communauté des investisseurs, ont contribué à donner leur avis sur la manière de développer Ikei.
"Si tout se passe bien avec l'agriculture à base d'eau, nous voulons étendre nos activités à d'autres applications. L'une des autres applications que nous pourrions explorer est la gestion des eaux usées, qui peut être utilisée dans de nombreux pays à travers le monde pour s'assurer que l'eau est d'une qualité décente avant d'être rejetée dans l'environnement", a conclu M. Tran.
