Les fluides frigorigènes actuels, qui sont des fluides de travail spécialisés utilisés dans les climatiseurs, les réfrigérateurs et les pompes à chaleur, posent toute une série de problèmes, notamment les fuites, les préoccupations liées aux émissions, l’inflammabilité et la récupération limitée des fluides frigorigènes usagés. Cependant, une étude récente menée par des chercheurs de l’université de Notre Dame aux Etats-Unis décrit une alternative prometteuse pour les systèmes de refroidissement de nouvelle génération utilisant la technologie thermoélectrique, qui ne comporte aucune pièce mobile ni aucun fluide frigorigène gazeux, ce qui permet d’éliminer tout risque de fuite.
« En faisant des dispositifs thermoélectriques une technologie compétitive et commercialement viable, cela peut transformer la manière dont nous refroidissons les objets », a déclaré Yanliang Zhang, titulaire de la chaire « Advanced Materials and Manufacturing » en génie aérospatial et mécanique à l’université de Notre Dame. « Nous pouvons rendre le processus de refroidissement très respectueux de l’environnement. »
Par le passé, la généralisation des matériaux thermoélectriques s’est avérée difficile en raison des coûts élevés liés aux procédés de fabrication traditionnels. Cependant, l’équipe de recherche dirigée par Zhang a mis au point une stratégie innovante d’impression à l’encre qui permet une fabrication à grande échelle de matériaux et de dispositifs thermoélectriques à faible coût et hautement performants.
Selon cette nouvelle étude, ces matériaux « présentent de nombreux avantages pour le refroidissement économe en énergie et localisé des composants électroniques, des appareils médicaux, des véhicules, des centres de données et des bâtiments ».
Cette recherche a été principalement financée par le programme « Environmentally Applied Refrigerant Technology Hub » (EARTH) de la Fondation nationale pour la science (NSF) des États-Unis, dont la mission est de créer le premier système de réfrigération durable conçu pour optimiser le cycle de vie des fluides frigorigènes. Ces avancées ouvrent la voie à la production de systèmes de refroidissement compacts et à haut rendement, sans recourir à des fluides frigorigènes nocifs pour l’environnement.
« Ces dispositifs sont très efficaces en matière de refroidissement et se prêtent parfaitement à une production industrielle à grande échelle », a déclaré Zhang. « Nous pouvons fabriquer ces dispositifs plus rapidement et à moindre coût. Je pense que le principal atout de notre procédé réside dans sa simplicité. »
Il a poursuivi : « Nous utilisons le revêtement par lame ou la sérigraphie pour transformer directement les encres initiales en motif final du dispositif, selon le même procédé que celui utilisé par les sérigraphes pour les motifs sur les t-shirts. Mais notre encre contient de l’argent et du sélénium, qui deviennent le matériau thermoélectrique après l’impression et le traitement post-impression. Nous avons mis au point une encre parfaitement compatible avec le procédé d’impression, ce qui permet une évolutivité aisée. »
Au cours du processus de développement, lorsque l’équipe de recherche a initialement mélangé les poudres élémentaires d’argent et de sélénium pour fabriquer l’encre, elle a découvert que l’argent et le sélénium réagissaient très rapidement pour former un alliage de séléniure d’argent. « Cette réaction chimique rapide accélère le processus de fabrication, ce qui peut s’avérer plus rentable », a déclaré Zhang. La composition de l’encre à base d’alliage a ensuite été optimisée entre les deux éléments afin d’atteindre des performances thermoélectriques maximales.
Après avoir été testés et comparés aux matériaux en vrac de pointe actuellement disponibles sur le marché, les matériaux imprimés optimisés ont atteint des performances compétitives à température ambiante, tant pour les composants de type P que pour ceux de type N. Les recherches antérieures de l’équipe portaient sur l’alliage thermoélectrique imprimé de type P, tandis que le nouvel alliage argent-sélénium est destiné aux matériaux thermoélectriques de type N. Les composants de type P et de type N sont tous deux nécessaires à la fabrication d’un dispositif de refroidissement thermoélectrique.
« Nous continuons à étudier comment transformer un matériau hautement performant en dispositifs hautement performants. Nous souhaitons découvrir comment associer les semi-conducteurs de type P et de type N, les électrodes métalliques, puis relier tous ces composants pour former un système final complet », a déclaré Zhang. « Nous voulons améliorer ce matériau au point que le secteur du chauffage, de la ventilation, de la climatisation et de la réfrigération n’hésite pas à l’adopter. Notre objectif est de commercialiser notre technologie au profit de l’ensemble de la société. »
Outre le soutien apporté par le programme EARTH de la NSF, cette étude a également été financée par le ministère américain de l’Énergie et un autre programme de la NSF.
Pour en savoir plus sur le programme NSF EARTH, rendez-vous sur https://erc-earth.ku.edu.
