Dans un monde en quête constante d’optimisation de la performance, une équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo a mis au point un capteur innovant permettant de visualiser en temps réel la dissipation de chaleur dans les dispositifs électroniques et mécaniques. Ce capteur mince, qui peut être intégré au cœur même des appareils, promet d’améliorer l’efficacité énergétique tout en étant simple et économique à produire.
La chaleur dégagée par les appareils électroniques et mécaniques est souvent le signe d’un fonctionnement inefficace. Le principe de conservation de l’énergie nous rappelle que l’énergie n’est jamais créée ni détruite, mais simplement transformée. En fin de compte, toute énergie se convertit en chaleur. Cette réalité peut être bénéfique, par exemple pour chauffer nos maisons en hiver, ou nuisible lorsqu’il s’agit de refroidir un dispositif ou d’optimiser l’autonomie d’une batterie.
Une meilleure gestion du comportement thermique des dispositifs peut donc conduire à une amélioration significative de leur rendement. Cependant, comprendre comment la chaleur se dissipe à l’intérieur de dispositifs complexes, miniaturisés ou dangereux reste un défi.
Une nouvelle approche pour mesurer la chaleur
Face à ce problème, une équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo, sous la direction du professeur associé Tomoya Higo et du professeur Satoru Nakatsuji du Département de physique, a cherché à trouver une solution. Selon le professeur Higo, « La quantité de chaleur conduite à travers un matériau est connue sous le nom de flux de chaleur. Trouver de nouvelles façons de mesurer cela pourrait non seulement aider à améliorer l’efficacité des dispositifs, mais aussi la sécurité, car les batteries mal gérées thermiquement peuvent être dangereuses. »
Pourtant, trouver une technologie de capteur pour mesurer le flux de chaleur qui réponde également à plusieurs conditions, comme la robustesse, la rentabilité, la facilité de fabrication, n’est pas une tâche aisée.
L’effet Nernst anormal pour un nouveau capteur
L’équipe a étudié comment se comportait un capteur de flux de chaleur composé de matériaux magnétiques spéciaux et d’électrodes lorsqu’il y avait des motifs complexes de flux de chaleur. Le matériau magnétique à base de fer et de gallium présente un phénomène appelé effet Nernst anormal (ANE), où l’énergie thermique est convertie de manière inhabituelle en un signal électrique. Cet effet a permis à l’équipe de concevoir leur capteur sur une feuille de plastique incroyablement mince et malléable.
Comme l’explique le professeur Higo, « En trouvant les bons matériaux magnétiques et d’électrodes, puis en les appliquant selon un motif spécial répétitif, nous avons créé des circuits électroniques microscopiques qui sont flexibles, robustes, bon marché et faciles à produire, et surtout très efficaces pour fournir des données de flux de chaleur en temps réel.«
Un capteur prometteur pour diverses applications
Le professeur Nakatsuji envisage déjà des applications concrètes pour ce capteur, notamment dans les centres de données ou les environnements de fabrication automatisés. Il pourrait également avoir des applications médicales, permettant aux médecins de produire des cartes thermiques internes de certaines zones du corps pour aider au diagnostic et à l’imagerie.
En synthèse
L’équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo a réussi à développer un capteur mince et efficace qui permet de visualiser en temps réel le flux de chaleur à l’intérieur des dispositifs. Basé sur l’effet Nernst anormal, ce capteur pourrait transformer la manière dont nous gérons la chaleur dans nos appareils et ainsi augmenter leur efficacité.
Qu’est-ce que l’effet Nernst anormal ?
L’effet Nernst anormal (ANE) est un phénomène où l’énergie thermique est convertie de manière inhabituelle en un signal électrique. C’est ce qui permet au capteur développé par l’équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo de visualiser en temps réel le flux de chaleur à travers les dispositifs.
Comment ce capteur pourrait-il améliorer l’efficacité énergétique des appareils ?
En mesurant précisément et en temps réel la dissipation de chaleur à l’intérieur des dispositifs électroniques ou mécaniques, ce capteur peut aider les ingénieurs à adapter le comportement ou la conception des appareils pour améliorer leur rendement énergétique. Une meilleure gestion du comportement thermique des appareils peut conduire à une réduction de la perte d’énergie sous forme de chaleur, et donc à une amélioration de l’efficacité énergétique.
Quelles sont les possibles applications de ce capteur ?
Le capteur pourrait trouver des applications dans divers domaines. Par exemple, il pourrait être utilisé dans les centres de données ou les environnements de fabrication automatisés pour améliorer l’efficacité énergétique. De plus, avec des développements supplémentaires, ce capteur pourrait également être utilisé dans des applications médicales, permettant aux médecins de produire des cartes thermiques internes de certaines zones du corps pour aider au diagnostic et à l’imagerie.
Comment est fabriqué ce capteur ?
Le capteur est fabriqué en appliquant des matériaux magnétiques et des électrodes sur une mince feuille de plastique PET, puis en gravant les motifs désirés sur le film résultant. Cette technique permet de créer des circuits électroniques microscopiques flexibles, robustes, économiques et faciles à produire, qui sont très efficaces pour fournir des données de flux de chaleur en temps réel.
Hirokazu Tanaka, Tomoya Higo, Ryota Uesugi, Kazuto Yamagata, Yosuke Nakanishi, Hironobu Machinaga, Satoru Nakatsuji, « Roll-to-Roll Printing of Anomalous Nernst Thermopile for Direct Sensing of Perpendicular Heat Flux, » Advanced Materials : 24 juillet 2023, doi:10.1002/adma.202303416.
