Le refroidissement passif radiatif peut désormais être contrôlé électriquement

Dans un climat en mutation, il faudra trouver des moyens efficaces de refroidir les bâtiments et les véhicules. Des chercheurs de l’université de Linköping ont démontré que le réglage électrique du refroidissement radiatif passif peut être utilisé pour contrôler la température d’un matériau à température et pression atmosphérique ambiantes. Les résultats ont été publiés dans Cell Reports Physical Science.

« Pour refroidir les bâtiments, par exemple, on utilise principalement aujourd’hui la climatisation traditionnelle, qui nécessite de grandes quantités d’énergie et utilise des réfrigérants dangereux pour l’environnement. Avec l’aide du refroidissement radiatif passif, le froid de l’espace pourrait être utilisé pour compléter les climatiseurs normaux et réduire la consommation d’énergie« , explique Magnus Jonsson, professeur et chef du groupe de photonique organique et de nano-optique de l’université de Linköping.

Le refroidissement radiatif passif utilise le fait que l’énergie thermique peut quitter un objet sous forme de rayonnement infrarouge. Tous les objets émettent de la chaleur sous forme de lumière infrarouge – les arbres, les bâtiments, l’eau et même les humains.

Différents types de matériaux émettent des quantités différentes de chaleur infrarouge. Cela dépend de la capacité du matériau à absorber le rayonnement infrarouge – plus il est capable d’absorber la chaleur infrarouge, plus le matériau est capable d’émettre de la chaleur. Par exemple, le papier à lettres blanc ordinaire absorbe bien la chaleur infrarouge et, par conséquent, l’émet. En revanche, les métaux sont plutôt mauvais dans ce domaine, car la plupart de la chaleur est réfléchie.

En raison de la capacité de l’atmosphère à transmettre la lumière dans la gamme des longueurs d’onde infrarouges, le froid de l’espace extra-atmosphérique, où la température est d’environ -270 degrés Celsius, peut être utilisé pour éliminer la chaleur des objets sur terre. En raison de la différence de température, il peut y avoir un transport net vers l’extérieur. Un objet peut donc obtenir une température inférieure à la température ambiante à l’aide du refroidissement radiatif passif.

Cet effet a été utilisé très tôt dans l’histoire, par exemple pour fabriquer de la glace dans les climats chauds. Cependant, ces dernières années, la recherche en science des matériaux s’est intéressée de plus en plus à ce phénomène et a mis au point de nouveaux matériaux ayant une grande capacité à émettre de la chaleur infrarouge sans être réchauffés par les rayons du soleil.

Des chercheurs de l’université de Linköping viennent de montrer qu’il est possible de réguler la température d’un dispositif en réglant électriquement la mesure dans laquelle il émet de la chaleur par refroidissement radiatif passif. Le concept utilise un polymère conducteur pour régler électrochimiquement l’émissivité du dispositif.
Les résultats ont été publiés dans la revue Cell Reports Physical Science.

« On peut comparer cela à un thermostat. Actuellement, nous pouvons régler la température de 0,25 degré Celsius. Cela peut sembler peu, mais le fait est que nous avons montré qu’il est possible d’effectuer ce réglage à température ambiante et à pression normale« , explique Debashree Banerjee, ingénieur de recherche principal à l’université de Linköping et auteur principal de l’étude.

Les chercheurs estiment que, maintenant qu’ils ont montré que c’était possible, il est possible de développer davantage les matériaux et les dispositifs. À long terme, il est possible d’envisager des systèmes qui peuvent être posés sur un toit, à la manière d’une cellule solaire, contrôlant ainsi le rayonnement thermique infrarouge de la maison et la refroidissant si nécessaire. Cette méthode nécessite une consommation d’énergie extrêmement faible et n’entraîne qu’une pollution minimale. D’autres domaines d’application peuvent également inclure des vêtements et des papiers peints accordables pour contrôler les flux thermiques et améliorer le confort thermique à l’intérieur tout en réduisant la consommation d’énergie.

Dans une autre étude publiée dans Advanced Science, le même groupe de recherche a mis au point un dispositif thermoélectrique alimenté par le même principe de refroidissement radiatif, complété par le chauffage solaire. Il est basé sur la génération d’une différence de température entre deux matériaux en cellulose, dont l’un contient du noir de carbone pour absorber également la chaleur du soleil. Les matériaux sont reliés à un matériel qui convertit la différence de température en un potentiel électrique. L’exposition du dispositif au ciel a induit une tension électrique de 60 mV dès un rayonnement solaire modéré, mais le concept fonctionne même la nuit puisque les deux matériaux à base de bois sont conçus pour avoir des capacités différentes à rayonner la chaleur.

Nous utilisons non seulement le soleil, mais aussi l’espace comme source d’énergie », explique Mingna Liao, doctorante du groupe et auteur principal de l’article paru dans Advanced Science.

Afin d’effectuer des mesures contrôlées pour les deux études, les chercheurs ont construit un simulateur de ciel. De cette façon, les mesures n’étaient pas affectées par les changements d’environnement comme elles le seraient en extérieur. Le simulateur de ciel est constitué d’un tube dont les côtés sont recouverts d’aluminium qui réfléchit le rayonnement. Un réceptacle placé au fond contient un matériau qui absorbe le rayonnement thermique et est refroidi à l’azote liquide pour simuler le froid de l’espace.

Légende : Mingna Liao photographiée à travers le simulateur de ciel construit par les chercheurs.

CREDIT : Thor Balkhed

DOI
10.1016/j.xcrp.2023.101274