Les centres de données et de calcul, ou data center, permettent de stocker, traiter et distribuer des volumes considérables de données. Les annonces de construction se multiplient, notamment autour de l’essor de l’IA, mais ils commencent à rencontrer des oppositions, car ils entrent en compétition avec d’autres usages de l’eau et de l’électricité. Des propositions récentes, émanant des big techs (Google, Elon Musk…) et d’autres acteurs, est d’éviter ces conflits d’usage en envoyant des centres de données dans l’espace, ce qui créerait de nouveaux problèmes. Pour évacuer la chaleur qu’ils génèrent, il faudrait des infrastructures spéciales et de très grandes tailles.

La puissance de calcul des centres de données est exprimée en watt : cette unité de mesure de la consommation énergétique instantanée est bien révélatrice de la taille de ces supercalculateurs. Ainsi, le centre de données parisien de Telehouse, qui a été un noyau central pour plus de 80 % du trafic Internet direct en France depuis les années 80, a une puissance de vingt millions de watts (20 mégawatts).

Aujourd’hui, plusieurs projets promettent de changer d’échelle. Le Campus IA, en Seine-et-Marne, qui devait initialement atteindre plus d’un milliard de watts (1 gigawatt), vise désormais trois gigawatts. Le japonais SoftBank annonce de son côté construire cinq gigawatts répartis en trois centres dans les Hauts-de-France.

Comprendre les échelles en jeu pour appréhender les problèmes des centres de données terrestres

Un gigawatt d’électricité correspond à la consommation de deux millions de foyers. Pour le fournir, il faut mobiliser un réacteur nucléaire (environ). Chacun des nouveaux gros projets de centre de données devrait donc voir en miroir émerger une production équivalente d’électricité (nucléaire ou non), ou un changement drastique de la répartition actuelle de la consommation électrique, ce qui peut provoquer des « conflits d’usage » : lorsqu’une certaine quantité d’énergie utilisable est produite, préfère-t-on alimenter un centre de données ou des habitations ?

Par ailleurs, il faut souligner que la puissance électrique qui fait fonctionner les machines finit toujours en chaleur. Pour un centre de données d’un gigawatt, il faut in fine évacuer un gigawatt de chaleur. En pratique, l’évacuation de la chaleur se fait grâce à un fluide qui circule au plus près de la zone à refroidir, capte sa chaleur et l’évacue vers l’atmosphère. Ce fluide peut être de l’eau, avec ici aussi des difficultés liées à l’allocation des ressources, surtout en été. Une alternative est d’utiliser de l’air pour le refroidissement, ce qui nécessite d’énormes ventilateurs et génère des nuisances sonores.

Des projets de centres de données dans l’espace

D’où l’idée d’envoyer ces centres de données dans l’espace : Suncatcher de Google, AI1 d’Elon Musk ou encore Sophia Space.). Mais ce n’est pas si vert, ni si simple.

À lire aussi : Pourrait-on faire fonctionner des data centers dans l’espace ?

Au-delà du problème bien réel de générer suffisamment d’électricité pour alimenter un centre de données, il y a le problème du refroidissement. En effet, dans le vide de l’espace, il n’y a pas d’eau ni d’air à disposition. Le transport de la chaleur au loin ne peut se faire que par le rayonnement, c’est-à-dire grâce à la lumière émise par tout objet. C’est ce que font des braises chaudes : elles rayonnent de la lumière qui réchauffe leur environnement (et finissent par se refroidir). Car selon une loi classique de la physique, le rayonnement croît très fortement avec la température : à la puissance 4 (au carré, et encore au carré) de celle-ci.

Pour évacuer la chaleur produite par les composants internes d’un satellite, il faut capter cette chaleur (de l’air ou de l’eau par exemple), pour l’amener vers des panneaux qui vont la rayonner vers l’espace. Afin d’éviter des déformations mécaniques, ces panneaux ne doivent pas être trop chauds. Or, en fonctionnant à une température « raisonnable », leur efficacité est faible et il faut une grande surface pour évacuer une puissance thermique donnée.

En pratique, comment marche le refroidissement dans l’espace ?

Les entreprises communiquent peu sur le refroidissement de leurs centres de données, sur Terre comme dans l’espace. Pour se faire une idée, nous pouvons nous référer à un cas où les données sont publiques : celui de la Station spatiale internationale (ISS).

Les machines de l’ISS consomment une puissance électrique moyenne de 126 kilowatts. Pour éviter que l’intérieur de l’habitacle ne ressemble à une serre tropicale, il faut évacuer la chaleur produite. Les concepteurs de l’ISS l’ont donc dotée de 645 mètres carrés de panneaux rayonnants, dont la masse totale est d’environ 10 tonnes. Dans chacun circule de l’ammoniac liquide à environ -40 °C (ce fluide a d’excellentes performances pour les installations de réfrigération aussi puissantes) jusqu’aux panneaux de refroidissement qui rayonnent vers l’espace par leurs deux faces.

À titre indicatif, extrapolons la capacité de rayonnement des panneaux de l’ISS (195 watts pour chaque mètre carré de panneau) aux projets de centres de données orbitaux. Pour rayonner un gigawatt de puissance thermique, il faudrait une surface un peu supérieure à cinq kilomètres carrés, soit 730 terrains de foot, ou la superficie du XVII^e arrondissement de Paris. On pourrait éventuellement diminuer cette surface par deux ou trois en augmentant la température du fluide jusqu’à 20 °C en remplaçant l’ammoniac.

Du poids en orbite

Un mètre carré de panneau de refroidissement dans l’ISS pèse 15 kilogrammes, soit 15 000 tonnes par kilomètre carré, soit 75 000 tonnes pour nos cinq kilomètres carrés. C’est supérieur à toute la masse mise en orbite par l’humanité depuis le premier Sputnik !

Avec le plus gros lanceur actuel (le Starship de SpaceX, qui n’est pas encore opérationnel mais devrait pouvoir envoyer environ 100 tonnes en orbite basse à chaque lancement), il faudrait 750 tirs pour mettre en orbite les panneaux de refroidissement. Il resterait ensuite à envoyer l’essentiel : les processeurs informatiques, les panneaux solaires, câbles, tuyaux, caissons…

À la demande de la Commission européenne, l’agence Carbone 4 a déterminé que placer un centre de données dans l’espace multiplie par dix son empreinte carbone, essentiellement à cause du lancement. Cette étude précise bien qu’elle ne considère pas les nombreux effets secondaires ni les impacts écologiques autres que le CO₂. Or le pire effet est l’impact des particules fines, émises tant au lancement qu’à la rentrée dans l’atmosphère, à la fois sur le climat et sur la couche d’ozone.

Renouvellement du matériel

Autre sujet de préoccupation : on ne peut pas envoyer des réparateurs dans l’espace à chaque panne. Or le matériel, soumis à des radiations et des contraintes, s’y dégrade plus rapidement que sur Terre.

Indépendamment, comme les différentes caractéristiques des ordinateurs évoluent fortement sur une échelle de deux ans environ, pour garder le centre de données compétitif en termes de capacités, il faut le renouveler fréquemment. Suite à ces remplacements, que deviennent les anciens processeurs ? Il y a deux options : soit on laisse les déchets en orbite, soit on les laisse tomber sur la Terre.

La première option pose le problème des débris spatiaux, démultiplié par l’énorme surface des panneaux de refroidissement, qui rend les centres de données vulnérables aux débris spatiaux. Comme toute collision engendre à son tour de nouveaux débris, ce cercle vicieux est un verrou majeur au déploiement de grandes structures dans l’espace selon la NASA. La seconde option est la désorbitation, une famille de techniques pour provoquer la chute des débris, avec des succès variables, toujours selon la NASA, et des pollutions de la haute atmosphère.

Que faire ?

Compte tenu de ces ordres de grandeur, s’il faut vraiment des centres de données, il semble plus sage de remiser dans le fond d’un tiroir cette idée de les envoyer dans l’espace. D’un point de vue écologique, la moins mauvaise solution serait d’assumer sur Terre leurs nombreux inconvénients : ressources d’eau et d’électricité privatisées de facto, nuisances sonores pour la population locale, et baisse de la biodiversité.

Plus généralement, sur une Terre aux ressources finies, il faut faire des choix. En l’occurrence, entre multiplier les centres de données, ou décroître massivement nos consommations d’énergie et de matériaux pour préserver l’habitabilité de notre planète.

Cet article a bénéficié de discussions avec François Briens (économiste et ingénieur systèmes énergétiques), Aurélien Ficot (formateur et ingénieur sciences environnementales), Jean-Manuel Traimond (auteur et conférencier).

François Graner est membre de l'association « Les amis de la Décroissance »

Carine Douarche, Emmanuelle Rio et Roland Lehoucq ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.

La majorité des êtres vivants sur Terre — plantes, animaux et micro-organismes — vit sous l’influence du rythme imposé par l’alternance du jour et de la nuit. Les fonctions biologiques essentielles sont soumises à des cycles de 24 heures, entretenus par une horloge interne qui se synchronise avec des signaux externes de l’environnement, dont le plus puissant est la lumière.

Qu’en est-il des espèces des profondeurs, qui vivent dans la nuit perpétuelle ? Ont-elles même la notion du temps ?

Dans la zone crépusculaire, entre 200 et 1000 mètres de profondeur, pénètre encore un peu de lumière. La lumière résiduelle, qui vient du Soleil mais aussi de la Lune, y est suffisante pour synchroniser des fonctions biologiques. Ainsi, la reproduction de certains oursins, étoiles de mer, anémones et coraux de cette zone est synchronisée avec le cycle lunaire, ce qui se traduit par une libération de larves intervenant massivement à la pleine lune, ou à la nouvelle lune, selon l’espèce.

Mais au-delà de 1000 mètres, on ne détecte plus cette lumière cyclique. Il n’est pas évident de savoir si les fonctions biologiques adoptent un rythme à ces grandes profondeurs, notamment car il est difficile d’obtenir des individus vivants en provenance de ces zones.

Néanmoins, la dizaine d’études de « chronobiologie » sur les rythmes physiologiques des espèces de l’océan profond démontrent clairement que ces espèces reçoivent des signaux en provenance de la surface, et que la vie dans les grands fonds peut être rythmée par la lune, le soleil et les saisons… mais pas directement à cause de la lumière.

Au rythme de la lune… sans sa lumière

Si la lumière solaire disparaît, il existe d’autres repères temporels perceptibles dans l’environnement profond. Ces « donneurs de temps » sont appelés Zeitgebers, d’après le terme allemand.

Le cycle lunaire impose ainsi le rythme des marées en surface, avec des variations de courant perceptibles jusqu’à de grandes profondeurs, comme l’ont montré des analyses utilisant des courantomètres déployés sur le fond.

Mais à quoi bon garder le rythme dans les profondeurs ? L’existence d’une alternance sommeil-éveil a été explorée chez deux poissons : le grenadier Coryphaenoides armatus et l’anguille de haute mer Synaphobranchus kaupii.

Des spécimens ont été pêchés dans l’Atlantique nord-est entre 1000 et 4800 mètres tout au long de la journée et de la nuit afin de suivre leur production de mélatonine. Cette hormone participe à la régulation des cycles de sommeil, et sa sécrétion suit un rythme circadien avec un minimum dans la journée et une augmentation en début de nuit, qui contribue à l’endormissement. Les taux de mélatonine mesurés chez les grenadiers et les anguilles montreraient des signes d’une périodicité de l’ordre de la demi-journée, ce qui suggère une influence du cycle lunaire et des courants de marée.

Une autre étude, utilisant un réseau de caméras disposées sur le fond marin à proximité de sources hydrothermales de la dorsale est-pacifique, situées à 2170 mètres de profondeur, a révélé l’activité rythmique de certaines espèces. Ainsi, à la suite d’une période d’observation de vingt-trois jours, elle a montré que le ver tubicole Ridgeia piscesae aurait une activité synchronisée avec les marées : le nombre d’individus qui déploient leur panache branchial hors du tube varie en effet selon une période de six heures.

Une autre espèce hydrothermale s’est révélée avoir un rythme similaire, la moule Bathymodiolus azoricus. Elle montre non seulement une périodicité dans son comportement d’ouverture et de fermeture des valves de la coquille, mais aussi une rythmicité jusqu’au niveau moléculaire, puisqu’environ 10 % de ses gènes ont un profil d’expression dans le temps qui suit un rythme cyclique calé sur celui des marées.

Une expression rythmique des gènes, selon un cycle de 12 heures, a également été détectée chez la crevette hydrothermale Rimicaris leurokolos.

À ces profondeurs extrêmes, les Zeitgebers sont les variations rythmiques de courant et de température générées par les marées internes de l’océan, un phénomène complexe qui résulte de l’interaction entre les marées de surface et la topographie du fond. Alors que la lumière solaire est le signal dominant pour rythmer la vie des espèces à la surface du globe, les marées internes semblent être le repère temporel essentiel pour les espèces de l’océan profond.

Le soleil aussi rythme indirectement les profondeurs

D’autres signaux peuvent dans une moindre mesure imposer un rythme. Ainsi, il semblerait que l’on ne mange pas en continu dans les profondeurs ! Des rythmes ont été détectés dans la prise alimentaire de crustacés avec une démarcation entre le jour et la nuit, dont l’origine n’est pas encore connue. L’analyse du contenu de leur estomac sur une période de 24 heures a montré que les crabes Geryon longipes se nourrissent préférentiellement à l’aube, tandis que la crevette dorée Plesionika martia étale sa prise alimentaire sur la matinée.

Des indices similaires de rythme alimentaire quotidien ont été observés pour trois espèces de poissons osseux, prélevées au-delà de 1 000 mètres en Méditerranée occidentale, le grenadier méditerranéen (Coryphaenoides mediterraneus), l’alépocéphale à bec et le moro de méditerranée (Lepidion lepidion). Sachant que ces trois espèces se nourrissent principalement de proies actives, il est possible dans ces cas-là que les mouvements et la disponibilité de ces proies dans la journée dictent le rythme. L’une des explications est que les proies elles-mêmes migrent dans la colonne d’eau, remontant à la surface la nuit et descendant dans la zone crépusculaire au-delà de 200 mètres pendant la journée. Leurs prédateurs profonds sont contraints d’attendre qu’elles descendent pour les capturer, et leur rythme alimentaire est donc indirectement calé sur le soleil.

Au rythme des saisons

Au-delà de ces rythmes quotidiens synchronisés indirectement par la lune et le soleil, des signaux saisonniers peuvent aussi influencer la vie en profondeur.

Bien qu’on ait longtemps pensé que la reproduction des espèces profondes se déroulait en continu, plusieurs études, menées à partir des années 1960 sur différents groupes animaux (étoiles de mer, isopodes, bivalves, crustacés…) échantillonnés à intervalles réguliers au cours du temps, ont montré qu’ils produisaient leurs gamètes à certaines périodes de l’année plutôt qu’à d’autres.

Cette production de gamètes, très coûteuse, est ainsi synchronisée entre individus, optimisant les chances de fécondation. Cette période de reproduction intervient pendant, ou juste après, une période de productivité intense dans les eaux de surface, marquée par exemple par les efflorescences de phytoplancton, ces proliférations massives de microalgues et de cyanobactéries qui surviennent au printemps et à l’été dans de nombreuses régions océaniques, et sont parfois visibles depuis l’espace. Cette matière organique chute ensuite vers les profondeurs sous forme de neige marine, fournissant un apport nutritif capital aux adultes pour la production des gamètes et aux larves pour leur développement.

Reproduction continue et saisonnière peuvent même co-exister chez un même groupe selon la disponibilité des nutriments. Ainsi, chez les crabes de la famille des Bythogréidés, les espèces vivant dans les eaux très pauvres en nutriments du gyre subtropical du Pacifique sud, où les efflorescences sont très rares, présentent une reproduction plutôt continue, tandis que les espèces de la ride est-pacifique où les efflorescences sont fréquentes, ont une reproduction saisonnière.

Rythme lié au cycle jour-nuit, à la lune, ou aux saisons, divers Zeitgebers fournissent des repères temporels aux organismes des profondeurs, qui ne vivent donc pas hors du temps. L’étude de la chronobiologie dans l’océan profond en est encore à ses balbutiements, guère aidée par les difficultés à collecter et observer, mais il y a peu de doutes qu’elle nous réserve de nombreuses découvertes.

Pour explorer d’autres aspects de la vie sous-marine, découvrez l’ouvrage des auteurs, « Secrets de l’océan profond », publié aux Éditions Quae, et dont nous avons reproduit des bonnes feuilles.

Sébastien Duperron a reçu des financements de l'ANR, de la région Ile de France, et du CNRS.

Juliette Ravaux ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

L’histoire des travaux botaniques de Charles Darwin (1809-1882) est souvent racontée comme le prolongement naturel de sa théorie de l’évolution. Pourtant, une grande partie de ses recherches tardives sur les plantes n’aurait probablement pas atteint leur niveau de sophistication sans la contribution décisive de son troisième fils, Francis Darwin (1848-1925). Plus qu’un simple assistant, Francis fut un collaborateur scientifique, un expérimentateur, un intermédiaire intellectuel entre la botanique continentale et la science britannique, ainsi que le principal gardien de l’héritage botanique de son père.

Après la publication de On the Origin of Species, Charles Darwin consacra une part considérable de son activité scientifique à l’étude des plantes. Il publia successivement des ouvrages sur la pollinisation des orchidées, les plantes grimpantes, les plantes insectivores, les effets de la fécondation croisée, les différentes formes florales et enfin The Power of Movement in Plants, son ouvrage majeur à propos de cette thématique. Ces travaux visaient à démontrer que les végétaux, loin d’être des organismes passifs, possèdent des mécanismes d’adaptation complexes qui s’inscrivent pleinement dans le cadre de la sélection naturelle.

Au moment où Charles Darwin entreprend ces recherches, la botanique connaît une profonde transformation en Europe continentale. Sous l’impulsion de physiologistes comme Julius von Sachs (1832-1897), la discipline passe d’une pratique essentiellement descriptive à une science expérimentale fondée sur la mesure quantitative, le contrôle des variables et l’utilisation d’instruments spécialisés, comme le clinostat permettant de réduire les effets de la gravité sur la croissance de végétaux. Charles Darwin, qui travaillait principalement depuis sa résidence de Down House, n’avait jamais été formé à ces nouvelles méthodes de laboratoire. C’est précisément là que Francis Darwin joua un rôle essentiel.

Un « pipeline scientifique » entre l’Allemagne et l’Angleterre

Francis Darwin a d’abord étudié les mathématiques avant de s’intéresser aux sciences naturelles et à la médecine qu’il n’a jamais exercées. Il a été nommé membre de la Linnean Society of London par son père en 1875. Se spécialisant en botanique, Francis séjourna à l’Université de Würzburg entre 1878 et 1879, dans le laboratoire de Sachs, alors considéré comme le centre mondial de la physiologie végétale expérimentale. Il y apprit les techniques les plus avancées de son époque : mesures quantitatives de croissance, protocoles expérimentaux rigoureux, utilisation d’instruments de précision et analyse des réponses des plantes aux stimuli environnementaux, comme la lumière ou la gravité. Cette formation fut déterminante, car elle permit d’introduire à Down House des méthodes que Charles Darwin ne maîtrisait pas lui-même.

Les lettres adressées par Francis à son père témoignent de ce transfert constant de connaissances entre l’Allemagne et l’Angleterre. Les historiens parlent même d’un véritable « pipeline scientifique » reliant Würzburg à Down House. Grâce à Francis, Charles Darwin restait informé des avancées les plus récentes de la physiologie végétale européenne et pouvait intégrer ces nouvelles approches à ses propres recherches.

L’importance de Francis apparaît particulièrement dans l’ouvrage The Power of Movement in Plants, seul ouvrage où son nom figure officiellement comme coauteur. Ce livre représente l’aboutissement des recherches darwiniennes sur les mouvements végétaux. Francis y conçut et réalisa une grande partie des expériences portant sur les tropismes, les mouvements de croissance des racines et des tiges ainsi que la circumnutation, ce mouvement circulaire d’exploration de l’espace observé chez de nombreuses plantes comme le haricot par exemple.

Des travaux indispensables à l’œuvre de son père

Il développa les protocoles expérimentaux, effectua les observations de longue durée, réalisa les mesures quantitatives et rédigea une partie importante des descriptions méthodologiques. Selon les conclusions reprises par le Darwin Correspondence Project et par les chercheurs Kutschera et Baluška, les historiens considèrent aujourd’hui que cet ouvrage n’aurait pas pu être écrit dans sa forme définitive sans la formation expérimentale et le travail de Francis Darwin. Ce travail était particulièrement novateur en ce qu’il démontrait que les plantes ne sont pas des organismes passifs, notion toujours pas évidente pour un grand nombre de personnes de nos jours. Il démontre de plus que certaines parties de la plante peuvent détecter des signaux et transmettre une information à d’autres parties, anticipant ainsi la découverte des hormones végétales et les concepts modernes de signalisation chez les plantes.

Son influence ne se limita toutefois pas à cet unique livre. Dans Insectivorous Plants, Francis participa aux expériences sur la digestion des insectes par les plantes carnivores et contribua à l’interprétation physiologique des résultats. Dans la deuxième édition de Climbing Plants, il introduisit également des méthodes inspirées des laboratoires allemands afin de réexaminer les mécanismes des mouvements végétaux. Même lorsque son nom n’apparaissait pas sur la couverture, il intervenait dans la conception des expériences, la collecte des données, l’analyse des résultats et la rédaction scientifique.

L’une des contributions majeures de Francis fut également de relier les travaux de son père aux débats scientifiques européens. À Würzburg, il noua des liens durables avec plusieurs jeunes botanistes appelés à devenir des figures importantes de la discipline, comme Harry Marshall Ward (1854-1906) devenu professeur de Botanique à Cambridge par la suite ou Fredrik Elfving (1854-1942), botaniste finlandais devenu lui aussi professeur à l’université d’Helsinki. Ces réseaux scientifiques lui permettaient de maintenir un dialogue constant avec la recherche continentale et d’apporter à Charles Darwin des informations de première main sur les développements les plus récents de la botanique expérimentale.

Après la mort de Charles en 1882, le rôle de Francis devint encore plus important. Il assuma la responsabilité de préserver, organiser et diffuser l’héritage scientifique paternel. Il publia notamment Life and Letters of Charles Darwin ainsi que Charles Darwin : His Life Told in an Autobiographical Chapter. Grâce à ce travail éditorial considérable, il contribua à faire reconnaître Charles Darwin non seulement comme le fondateur de la théorie de l’évolution, mais aussi comme un botaniste expérimental majeur. La réputation botanique de Charles Darwin repose ainsi largement sur cette collaboration père-fils. Charles apportait les grandes questions biologiques et l’interprétation évolutionniste ; Francis fournissait les méthodes expérimentales modernes, les contacts scientifiques internationaux et une grande partie du travail pratique. Ensemble, ils ont produit une série d’ouvrages qui ont profondément transformé l’étude des mouvements végétaux et contribué à faire émerger la physiologie végétale moderne.

En définitive, Francis Darwin apparaît moins comme un simple assistant que comme un véritable partenaire scientifique. Son rôle d’expérimentateur, de passeur de connaissances entre l’Allemagne et l’Angleterre, de coauteur implicite de plusieurs ouvrages majeurs et de conservateur de l’œuvre darwinienne fut déterminant. L’histoire de la botanique du XIX^e siècle ne peut donc être comprise sans reconnaître la contribution fondamentale de Francis Darwin à la réussite scientifique de son père.

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.