Fluides frigorigènes à économie d'énergie issus d'une imprimante 3D : la technologie climatique Elastocalorics présentée au salon de Hanovre
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Les visiteurs du salon Hannover Messe de cette année pourront expérimenter une chute brutale de température, obtenue simplement en étirant un alliage métallique puis en le relâchant. Cette technologie élastocalorique offre une alternative plus propre et plus écologique aux systèmes de chauffage et de refroidissement traditionnels. Le professeur Paul Motzki et son équipe de l'Université de la Sarre sont des acteurs clés dans ce domaine et font progresser les développements vers des applications concrètes. En collaboration avec des spécialistes de l'impression 3D dirigés par le professeur Dirk Bähre, ils développent également des géométries innovantes et économes en énergie pour les éléments de refroidissement. L'équipe présentera sa technologie au salon Hannover Messe du 20 au 24 avril (Hall 11, Stand D41).
Ces cubes brillants, aux formes géométriques saisissantes, pourraient aisément passer pour d'élégants objets décoratifs. Pour les chercheurs qui travaillent sur ces structures imprimées en 3D, leur intérêt réside toutefois davantage dans leur fonctionnalité que dans leur esthétique. Les ingénieurs de production de l'équipe du professeur Bähre et les spécialistes des matériaux intelligents dirigés par le professeur Motzki s'intéressent au comportement de ces structures métalliques au sein des systèmes de refroidissement et de chauffage innovants actuellement développés à Sarrebruck.
« Il s'agit de la prochaine étape du développement de la technologie élastocalorique. Les recherches que nous menons actuellement sur ces nouvelles structures relèvent encore de la recherche fondamentale, mais nous réfléchissons déjà à leurs applications pratiques et développons des solutions concrètes », explique Motzki. Les géométries inédites de ces nouveaux éléments de refroidissement et de chauffage sont conçues pour optimiser l'efficacité du transfert de chaleur en maximisant la surface d'échange thermique.
Au lieu d'utiliser des fluides frigorigènes nocifs pour le climat ou des combustibles fossiles comme le pétrole ou le gaz pour le chauffage, les systèmes élastocaloriques emploient des composants fabriqués à partir d'un alliage à mémoire de forme, le nickel-titane. Jusqu'à présent, l'équipe de Motzki à l'Université de la Sarre a étudié les propriétés élastocaloriques de faisceaux de fils ultrafins et de feuilles minces réalisées dans cet alliage.
Ces composants libèrent de la chaleur lorsqu'ils sont étirés ou comprimés, et l'absorbent lorsque la contrainte mécanique est relâchée. Les ingénieurs de Sarrebruck exploitent l'effet élastocalorique pour transporter la chaleur d'un endroit à un autre, par exemple pour évacuer la chaleur d'une chambre froide.
Les équipes de recherche de l'Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck (ZeMA) étudient l'effet élastocalorique depuis plus de 15 ans, avec pour objectif à long terme de refroidir et de chauffer les voitures, les bâtiments et les installations industrielles de manière écologique et écoénergétique. Lors du salon de Hanovre de cette année, l'équipe démontre que sa technologie a dépassé le stade de la recherche fondamentale et est déjà en bonne voie de trouver des applications concrètes.
Nouveaux matériaux intéressants
Des quantités considérables d'énergie sont consommées dans le monde pour le chauffage et la climatisation, et avec le changement climatique, la demande ne cessera d'augmenter. Contrairement aux méthodes de chauffage et de climatisation classiques, la technologie élastocalorique promet une efficacité nettement supérieure. Alimentés exclusivement par l'électricité, les systèmes élastocaloriques sont aussi propres que l'électricité utilisée pour leur fonctionnement.
La Commission européenne a désigné le refroidissement élastocalorique comme l'alternative la plus prometteuse aux technologies de refroidissement conventionnelles, et le Forum économique mondial l'a classé parmi les « Dix technologies émergentes les plus prometteuses ». Cette technologie repose sur les propriétés particulières du nickel-titane, un alliage qui, lorsqu'il est déformé, se comporte de manière très différente des métaux conventionnels.
Le nickel-titane est ce que l'on appelle un « alliage à mémoire de forme », c'est-à-dire que ce matériau peut se déformer puis reprendre sa forme initiale grâce à une transformation de phase réversible entre deux structures cristallines solides. Cette transformation de phase s'accompagne d'un transfert de chaleur.
« À température ambiante, l'alliage se trouve dans sa phase haute température. Lorsqu'on lui applique une contrainte de traction ou de compression, on le force à adopter la phase basse température. Il s'agit d'un processus exothermique au cours duquel le matériau s'échauffe et libère de la chaleur dans l'environnement. Une fois que le matériau a refroidi à température ambiante, on relâche la contrainte mécanique. Cela permet à l'alliage de revenir à sa phase haute température et, comme il s'agit d'un processus endothermique, le matériau se refroidit », précise Motzki.
En résumé : lorsqu’un fil de nickel-titane est étiré, il libère de la chaleur dans l’air ou le liquide qui le traverse ; une fois la tension relâchée, il refroidit et peut absorber la chaleur de son environnement. Ce cycle de déformation mécanique, constitué de cycles répétés de traction et de détente, est le principe fondamental de cette nouvelle technologie. Aucun capteur supplémentaire n’est nécessaire, car le matériau possède des propriétés de détection intrinsèques.
« Chaque déformation des fils correspond à une valeur de résistance électrique spécifique. Les mesures de résistance nous indiquent donc précisément comment le matériau se déforme à un instant donné. Cela signifie qu'un capteur de position est en réalité intégré », souligne Motzki.
Les chercheurs de Sarrebruck visent à optimiser le transfert d'énergie thermique en maximisant la surface d'échange. Plus cette surface est grande, plus le transfert de chaleur vers le fluide caloporteur (air ou eau) est efficace. Jusqu'à présent, l'équipe a augmenté la surface d'échange en créant des faisceaux de nombreux fils ultrafins à mémoire de forme. Dans la prochaine génération de ces dispositifs, les éléments chauffants et refroidissants offriront une surface de contact encore plus importante grâce à l'intégration d'une structure géométrique poreuse en nickel-titane .
Pour atteindre cet objectif, l'équipe de recherche de Motzki collabore avec celle de Bähre afin de développer une structure complexe en nickel-titane permettant la circulation du fluide caloporteur (air ou eau). Les chercheurs perfectionnent et optimisent la conception de ces réseaux d'alliage délicats. Différentes géométries complexes font l'objet d'essais expérimentaux pour déterminer les structures offrant le transfert de chaleur le plus efficace. Ces structures tridimensionnelles en alliage sont produites couche par couche grâce à la fabrication additive, à l'aide d'une imprimante 3D.
Préparer la technologie pour des applications concrètes
Tandis que les expériences et les essais en laboratoire se poursuivent, Motzki et son équipe travaillent également au développement du domaine émergent des élastocaloriques en vue de leur application concrète. Les matériaux qui seront utilisés dans les futurs systèmes de refroidissement élastocaloriques devront être adaptés à un fonctionnement continu dans les réfrigérateurs et les unités de refroidissement.
« Nous travaillons à développer des matériaux et des conceptions suffisamment robustes pour une utilisation continue et faciles à entretenir. Nous intégrons dès le départ les questions relatives aux applications futures potentielles au processus de développement ; c’est un principe fondamental de notre recherche et il influence également les programmes de nos formations, comme l’ingénierie des systèmes et l’ingénierie des matériaux durables », met en avant Motzki, qui, à l’instar de Bähre, implique de nombreux doctorants et étudiants de licence dans ces travaux.
L'une des questions étudiées expérimentalement est celle de la manière de soumettre les matériaux à des contraintes mécaniques garantissant une longue durée de vie. Cela implique d'adapter les propriétés de l'alliage aux régimes de cycles de traction et de compression. « Par exemple, pour les conceptions utilisant des faisceaux de fils, nous visons une durée de vie supérieure à un million de cycles », explique Motzki.
Cependant, même les meilleurs matériaux finissent par s'user. « C'est pourquoi nous développons également un concept de remplacement simple et rapide. Nous concevons les composants concernés de manière à ce qu'ils soient facilement interchangeables, car la facilité de maintenance est un facteur déterminant pour la fiabilité de cette nouvelle technologie au quotidien », conclut Motzki.
https://www.uni-saarland.de/aktuell/hannover-messe-2026-elastokalorik-45454.html