S’inspirant de la peau craquelée des éléphants, qui retient l’eau, des chercheurs de Penn ont mis au point une tuile en ciment à faible coût qui refroidit les bâtiments en capturant et en évaporant lentement l’eau, transformant ainsi un défaut structurel en une solution climatique.
Lors des chaudes journées d’été, la transpiration apporte un soulagement considérable. En s’évaporant à la surface de la peau, les gouttelettes d’humidité absorbent la chaleur de façon quasi imperceptible. Cela peut paraître gênant, mais il s’agit en réalité de l’un des systèmes de refroidissement les plus efficaces du règne animal.
Mais tous les animaux ne transpirent pas. L’éléphant d’Afrique en est un exemple : il supporte la chaleur intense de la savane africaine avec sa peau gris foncé de plusieurs centimètres d’épaisseur. Comment fait-il pour rester au frais ?
« Les rides », explique Dorit Aviv, professeure agrégée d’architecture à la Weitzman School of Design. « La peau des éléphants est parcourue d’un réseau de fissures qui retiennent l’eau. Lorsqu’ils s’aspergent, cette eau reste en place et s’évapore lentement, ce qui les rafraîchit progressivement. »
L’idée de se rafraîchir sans transpirer a été initialement proposée à Aviv par sa collaboratrice de longue date, Shu Yang, spécialiste des matériaux à l’École d’ingénierie de Penn. L’idée a séduit Aviv, dont les recherches portent sur l’amélioration de l’efficacité thermodynamique des bâtiments face au réchauffement climatique, car ces derniers ne transpirent pas.
Dans un article publié dans Advanced Materials , Aviv, Yang et Kun-Hao Yu de l’Université de Syracuse ont transformé cette intuition en un nouveau type de carreau à base de ciment qui capture, retient et évapore lentement l’eau, refroidissant les surfaces sans ventilateurs, compresseurs ni pièces mobiles complexes.
Carreaux poreux fissurés bio-inspirés pour la capture et le transport de l’eau. Crédit : Advanced Materials (2026). DOI : 10.1002/adma.202523133
Gains de refroidissement sans compresseurs
Sous chauffage infrarouge et arrosage régulier, la température sous ces carreaux est restée stable à 32 °C. À titre de comparaison, la température d’un enduit commercial fissuré a atteint 42 °C, tandis que celle d’un enduit non fissuré a grimpé jusqu’à 52 °C.
« Aux États-Unis, nous passons environ 90 % de notre temps à l’intérieur, et les bâtiments consomment près de 40 % de l’énergie primaire, dont près de la moitié pour le chauffage, la climatisation et la ventilation », explique Yang. « Une façade passive de type bio-inspirée pourrait abaisser la température des surfaces de 6 à 11 °C par rapport à un enduit traditionnel. »
Contrairement à la climatisation mécanique, qui consomme des combustibles fossiles et contribue à l’accumulation de chaleur extérieure en rejetant la chaleur intérieure à l’extérieur, il s’agit d’un système véritablement passif qui refroidit la « peau » du bâtiment elle-même, explique-t-elle.
Transformer les fissures en canaux d’eau
En théorie, piéger l’eau pour la laisser s’évaporer et exploiter ce changement d’état pour évacuer la chaleur est simple. Mais les chercheurs ont constaté que c’était particulièrement difficile, car la plupart des matériaux de construction classiques sont très peu efficaces : les gouttelettes d’eau perlent, rebondissent ou ruissellent à la surface avant même de pouvoir procurer un refroidissement utile.
L’équipe devait trouver un moyen de guider chaque gouttelette afin de maximiser son potentiel de refroidissement, ce qui l’a amenée à se tourner vers les fissures.
Dosage d’eau en continu sur des disques fissurés (0 % et 50 % en poids de DE-ciment) inclinés à 60°. Crédit : Advanced Materials (2026). DOI : 10.1002/adma.202523133
« Dans la construction traditionnelle, les fissures signalent une faiblesse, le début de la dégradation d’un matériau », explique Yang. « Mais en contrôlant leur emplacement et leur mode de formation, nous avons créé des réseaux de minuscules canaux qui agissent comme des capillaires, capables d’attirer l’eau à la surface et de la retenir. »
Leur procédé commence par un mélange de ciment Portland ordinaire et d’un matériau poreux appelé terre de diatomées (DE), fabriqué à partir d’algues fossilisées. Coulé en fines tuiles et partiellement hydraté, le matériau est ensuite séché dans des conditions rigoureusement contrôlées. Lors de son retrait, des contraintes s’accumulent et se relâchent selon des motifs prédéfinis, formant un réseau de fissures prévisible plutôt que des fractures aléatoires.
« Nous avons réalisé que stocker l’eau et la transporter sont en fait deux problèmes différents », explique Yu, qui était chercheur postdoctoral au laboratoire de Yang au moment de mener ces expériences.
« Les pores microscopiques à l’intérieur du matériau agissent comme de minuscules réservoirs qui absorbent rapidement chaque gouttelette, tandis que le réseau de fissures conçu à cet effet agit comme un système de canaux qui redistribue cette eau sur toute la surface. C’est vraiment la combinaison de ces deux caractéristiques qui permet au carreau de retenir l’eau au lieu de la perdre. »
Lorsque l’eau entre en contact avec la surface, elle est absorbée instantanément – en quelques millisecondes – au lieu d’être ruisselante. Elle s’infiltre par capillarité dans le réseau de fissures et se redistribue sur la surface alvéolaire du carreau, même à l’encontre de la gravité sur les surfaces inclinées. Ce contact prolongé maintient la surface humide plus longtemps, permettant ainsi à l’évaporation d’agir. La géométrie hexagonale contraint l’eau à s’écouler en zigzag latéralement plutôt que verticalement, assurant ainsi un refroidissement continu jusqu’à 20 heures.
Crédit : Université de Pennsylvanie
Conception pour les limites de chaleur et d’eau
L’avenir de cette technologie réside dans sa simplicité trompeuse. L’équipe a démontré que le mélange de ciment DE peut être appliqué sur des panneaux de grande surface à l’aide de pistolets à trémie, ouvrant la voie à une fabrication sur site à la fois évolutive et économique.
« Les vagues de chaleur extrêmes constituent déjà le danger climatique le plus meurtrier, et nous avons passé des décennies à tenter d’isoler les bâtiments de l’environnement », explique Aviv. « Si nous parvenons à concevoir des matériaux qui interagissent avec les processus naturels au lieu de les combattre, nous pourrons repenser la manière dont les villes restent vivables. »
Pour l’avenir, les chercheurs envisagent des systèmes de contrôle intelligents dans lesquels les cycles d’arrosage sont automatisés en fonction des données météorologiques en temps réel, garantissant ainsi qu’un bâtiment est « arrosé » uniquement lorsque les prévisions l’exigent.
« Maintenant que nous comprenons comment l’eau circule à travers ces carreaux à motifs, nous pouvons commencer à traiter l’eau comme quelque chose que nous gérons très précisément au lieu de simplement en pulvériser davantage », explique Yu.
« En combinant ces matériaux avec des prévisions météorologiques et des systèmes automatisés de distribution d’eau, nous pourrions fournir juste assez d’eau, exactement où et quand c’est nécessaire, afin de maximiser le refroidissement tout en minimisant la consommation d’eau. »
https://penntoday.upenn.edu/news/penn-aviv-yang-buildings-cool-african-elephants
