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Adoptée en 2011, la feuille de route pour l’énergie à l’horizon 2050 fixe l’objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre de l’Europe de 80 à 95 % par rapport à 1990. Atteindre cet objectif nécessite d’accroitre la part des énergies renouvelables, dont l’éolien en mer, dans la production énergétique européenne. En France, depuis 2012, sept projets de parcs éoliens posés en mer ont déjà été attribués pour une mise en service prévue à partir de 2021. L’utilisation de l’éolien flottant est une piste majeure pour l’éolien en mer en France.

La durabilité des structures des éoliennes flottantes (flotteurs, lignes de mouillage, corps morts…), est un enjeu primordial du développement pérenne de la filière. Pour les structures porteuses (construites principalement en béton armé ou acier), le phénomène conditionnant la durabilité est celui de la corrosion induite par l’environnement marin. Compte tenu la forte agressivité de cet environnement, les structures sont protégées par des systèmes anti-corrosion de type protection cathodique galvanique ou par courant imposé.

Le triptyque microorganismes-matériaux de construction-milieu marin est au centre des phénomènes. Dans le milieu marin, les matériaux de construction, béton armé et acier, subissent des agressions chimiques par les espèces ioniques présentes dans l’eau de mer. Un biofilm de microorganismes se forme rapidement sur leurs surfaces, et s’ensuit une colonisation macroscopique et intense (biofouling) par des végétaux (macroalgues et macrophytes) et/ou des animaux.

Cette colonisation par les « organismes marins » est impliquée dans des mécanismes et des vitesses d’altération des matériaux sans que cette influence, positive (bioprotection) ou négative (biodétérioration), ne soit encore définitivement évaluée. En effet, la formation du biofilm (puis l’installation du biofouling) à la surface des matériaux, dans différents environnements, crée des conditions chimiques locales qui peuvent être plus agressives que le milieu environnant. Par ailleurs, le biofilm, comme le biofouling, peuvent parfois constituer une barrière physique contre certains ions agressifs pour les matériaux et présents dans l’eau de mer, ce qui peut donc constituer un effet bénéfique. Enfin la consommation d’oxygène par les microorganismes aérobies présents dans le biofilm amène à des conditions locales particulières de concentration en oxygène qui peuvent influencer les réactions électrochimiques impliquées dans la corrosion des aciers et par là même, le fonctionnement des systèmes de protection cathodique.

Par ailleurs, la question de l’impact environnemental des ouvrages en mer et des produits de leurs corrosions, ainsi que des solutions de protection cathodique, est cruciale. Afin de résister mécaniquement et chimiquement à l’environnement marin agressif, le choix des liants est essentiel vis-à-vis de la durabilité de l’ouvrage. Dans ce cadre, des ciments ayant un bilan carbone élevé sont généralement préconisés. Les travaux relatifs à l’emploi en milieu marin de liants alternatifs à faible bilan carbone sont peu développés.

L’ambition du projet est d’optimiser la durabilité des structures en béton armé et métalliques des éléments d’ouvrage d’éoliennes flottantes (flotteurs, lests, accastillage, corps morts), et de minimiser les incidences environnementales associées à leur construction et à leur exploitation. L’originalité du projet réside dans la volonté de prise en compte inédite mais cruciale du couplage (i) des phénomènes de vieillissement/corrosion et/ou ceux associés au fonctionnement des dispositifs d’anti-corrosion avec (ii) la biocolonisation à la surface des matériaux de construction (béton armé et acier).

Les objectifs de la thèse sont de :

• Déterminer les cinétiques et mécanismes de vieillissement/corrosion des matériaux béton armé et acier sous l’effet couplé de l’environnement chimiquement agressif qu’est le milieu marin et de la prolifération biologique à leur surface. Identifier la dynamique de biocolonisation et les activités métaboliques des microorganismes impliqués dans la biodétérioration au cours du temps. Identifier la possibilité de bioprotection par colonisation de la surface des ouvrages par les organismes marins.
• Quantifier l’efficacité des systèmes anti-corrosion (protection cathodique, galvanisation, revêtements) pour les structures en béton armé et acier notamment en couplage avec le développement du biofilm (quantification de la diversité et des activités des microorganismes, meiofaune et macrofaune) à la surface des matériaux.
• Evaluer l’impact de la formulation du béton (formulations classiques et formulations de bétons éco-conçus) et de la texturation (porosité-rugosité) de la surface du matériau, sur les phénomènes à l’interface ouvrage / milieu, en particulier (i) la formation du biofilm (biocolonisation), (ii) l’évolution de l’enrobage et de l’acier structurel, (iii) les cinétiques et mécanismes de vieillissement, et (iv) l’efficacité des systèmes anti-corrosion.

L’étude proposée sera fortement expérimentale et s’appuiera sur des développements en physico-chimie des matériaux, électrochimie, procédés biologiques et écologie microbienne. La caractérisation des interactions s’appuiera sur l’exploitation de protocoles expérimentaux spécifiques et d’un faisceau de techniques analytiques du solide et du liquide et de la biomasse combinées pour tendre vers la compréhension fine des phénoménologies (MEB, EPMA, DRX, ATG-MS, ICP-OES, HPIC, Potentiostat…) et des activités microbiennes (analyses de populations bactériennes par séquençage de gènes cibles, observation en microscopie confocales et à épifluorescence etc…).

La thèse sera réalisée dans le cadre du projet collaboratif DuMaCoBio, financé par la Région Occitanie et mené par un consortium de 4 laboratoires de la Région Occitanie : le LMDC (INSA Toulouse), le LBBM (Banyuls-sur-Mer, Sorbonne Université), le LGC (Toulouse INP), et le LMGC (IMT Mines d’Alès), et la PME Corrohm. Le projet comprendra des essais en mer, via la plateforme technologique régionale en mer REMIMED, en baie de Banyuls-sur-Mer sur le site de l’Observatoire Océanologique, et des essais au sein des différents laboratoires.

Début de thèse : 1 octobre 2022

Conditions de travail et localisation :

L’étudiant·e en thèse sera inscrit·e en thèse à l’INSA de Toulouse. L’équipe encadrante sera constituée de chercheurs et enseignants-chercheurs du LMDC, du LMGC, du LGC et du LBBM : Pr. Alexandra Bertron, Dr Fabrice Deby, Dr. Marie Salgues, Dr. HDR Benjamin Erable et Dr. HDR Raphaël Lami. Des séjours réguliers du.de la doctorant.e seront réalisés au sein des différents laboratoires en fonction du programme de travail.

Profil du candidat et critères de sélection :

Le·la candidat·e aura une formation niveau M2 (Diplôme d’Ingénieur ou cursus universitaire) en Science des Matériaux, Génie Civil, Chimie, ou Génie des procédés, et une bonne maîtrise de l’anglais. Une expérience significative en recherche sera un élément important. Le·la candidat.e devra avoir le goût pour les thématiques pluridisciplinaires et pour les travaux expérimentaux. Des connaissances sur les matériaux cimentaires et/ou métalliques pourraient constituer un socle intéressant. Des connaissances en techniques d’analyse des solides (DRX, EPMA, MEB+EDS, ATD/ATG…) et des liquides (ICP-OES, ICP-MS, HPIC…) et électrochimiques (Potentiostat) seront un atout. Le·la future doctorant.e devra être curieux·se, motivé·e et investi·e et faire preuve d’initiative et d’autonomie. Il·Elle aura au cours de son doctorat différents interlocuteurs avec lesquels il·elle devra communiquer régulièrement. Il·elle devra présenter très régulièrement ses résultats et rendre compte de l’avancée de son travail. Le·la doctorant.e devra donc faire preuve de qualités rédactionnelles, ainsi que de facilité à communiquer et à présenter ses travaux.