Zhang et. Al.
Les vagues de chaleur récentes ont frappé des régions comme l’Europe du Nord et le nord-ouest du Pacifique qui se débrouillent traditionnellement sans beaucoup de climatisation. Au fur et à mesure que les habitants de ces régions s’adapteront à la nouvelle réalité, nous verrons probablement un changement dans la consommation d’électricité, avec des augmentations de la demande typiques des localités plus au sud. La pression que ces changements exercent sur le réseau peut ajouter au défi de s’éloigner rapidement des combustibles fossiles.
Les matériaux qui chauffent ou refroidissent passivement un environnement peuvent réduire la demande d’énergie en répondant à certains de ces besoins sans nécessiter l’utilisation d’énergie. Certains de ces matériaux reflètent la lumière du soleil entrante pour l’empêcher de chauffer un espace, tandis que d’autres diffusent activement de la chaleur dans l’espace, ce qui est très bien si vous ne vous inquiétez que de la chaleur. Mais bon nombre de ces zones connaissent des saisons et ont des moments où se débarrasser de la chaleur parasite augmentera également la consommation d’énergie.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université de Nankai a trouvé un moyen de tout avoir : réchauffer à l’air froid et refroidir une fois que les choses deviennent chaudes, le tout sans avoir besoin d’apport d’énergie.
Sentir la chaleur
Les bases des matériaux passifs sont assez simples. Pour vous réchauffer, vous avez besoin d’un matériau qui absorbe la lumière et libère de l’énergie sous forme de chaleur. Le refroidissement peut être aussi simple que de refléter cette lumière. Sous une forme plus complexe, il est également possible d’incorporer des matériaux qui émettent de l’énergie à des longueurs d’onde infrarouges qui ne sont pas absorbées par l’atmosphère, permettant ainsi aux photons de s’échapper dans l’espace.
En règle générale, vous avez le choix entre l’un ou l’autre – les matériaux ne peuvent pas facilement passer de l’absorption à la réflexion de la lumière du soleil. Le mieux que vous puissiez généralement faire est d’activer ou de désactiver une capacité afin que (par exemple) un matériau cesse de refléter la lumière du soleil dans certaines conditions. Mais même certaines de ces approches ont nécessité de l’énergie pour passer d’un état à l’autre.
Pour le nouveau matériau, l’équipe de recherche s’est inspirée du pliage et du dépliage des feuilles des mimosas, qui changent de forme en fonction des conditions environnementales. L’idée était d’utiliser quelque chose comme ça pour basculer entre les états de chauffage et de refroidissement en fonction de la température ambiante.
Pour que cette idée fonctionne, ils ont utilisé un polymère qui changeait de forme en fonction de la température. Le polymère était composé de trois sous-unités distinctes qui pouvaient adopter différentes conformations lorsqu’elles étaient soumises à des contraintes. Lorsque des feuilles de polymère étaient étirées à des températures élevées (90°C), elles se dilataient et se contractaient à des températures typiques de l’environnement intérieur. Cette feuille sensible à la température a ensuite été fusionnée avec une feuille transparente qui ne réagit pas aux températures. La feuille bicouche résultante subirait des contraintes inégales en raison des changements de température, l’amenant à s’enrouler lorsqu’elle est froide et à s’aplatir lorsqu’elle est chauffée.
Déploiement du refroidissement
À elle seule, la feuille sensible à la température ne serait pas particulièrement utile, les chercheurs ont donc dû la combiner avec deux autres matériaux. L’une était une troisième couche pour la feuille sensible à la température avec deux propriétés clés : elle réfléchissait les longueurs d’onde visibles et émettait des photons dans l’infrarouge, lui permettant d’émettre de la chaleur. Le second était un substrat sombre qui absorbait la lumière visible.
Le dispositif final impliquait une couche de substrat sombre qui, lorsqu’elle est exposée à la lumière du soleil, l’absorbe et la convertit en chaleur. En plus de cela se trouve la feuille à trois couches, qui change de forme en fonction de la température et réfléchit la lumière du soleil tout en émettant dans l’infrarouge.
À basse température, la feuille sensible à la température s’enroule, exposant le substrat sombre qui absorbe la lumière du soleil, provoquant un réchauffement. Une fois que les températures augmentent, cependant, la feuille se déroulera, couvrant cela. Désormais, au lieu d’être une surface absorbante, la surface devient réfléchissante, l’empêchant de réchauffer la zone. Cependant, toute chaleur dans la zone couverte par ce système peut rayonner, car la surface réfléchissante émet dans l’infrarouge.
Les chercheurs, de manière créative, appellent ces deux états les modes de chauffage et de refroidissement. Environ 73 % de la lumière solaire entrante est absorbée lorsqu’elle est en mode chauffage. En revanche, le passage en mode refroidissement signifie que seulement 35 % de la lumière solaire entrante est absorbée et que les émissions dans l’infrarouge moyen augmentent de 67 %.
Alors que la feuille réfléchissante est mince et semble fragile, les chercheurs en ont testé une pendant plus de 500 cycles de roulement/déroulage, et elle a survécu sans aucun problème apparent. Le seul problème rencontré par l’équipe était que la couche réfléchissante n’établissait pas un contact solide avec la couche non réfléchissante lorsqu’elle était déroulée, ce qui limitait la quantité de chaleur pouvant être transférée entre les deux. Étant donné que la couche réfléchissante est responsable de l’évacuation de cette chaleur, cela a limité l’efficacité globale du système.
Une autre limitation évidente est que ce matériau a besoin d’une bonne quantité d’espace pour fonctionner puisque la surface réfléchissante s’enroule dans un tube. Donc, cela devrait être géré avant que cela ne soit incorporé dans quelque chose comme un matériau de construction. Pourtant, en tant que premier passage sur un seul matériau qui s’adapte au chauffage et au refroidissement, le concept semble génial, et il est possible que certains détails de mise en œuvre puissent être triés dans les itérations futures.
PNAS2022. DOI : 10.1073/pnas.2207353119 (À propos des DOI).