Ce nouveau système de refroidissement associe deux feuilles de nickel-titane : une feuille thermosensible génère un mouvement qu’une seconde feuille exploite pour produire du refroidissement. (Image : Concept de Yi-Ting Hsiau et Jingyuan Xu, KIT ; conception visuelle : Ella Maru Studio)
Des chercheurs du KIT et de l’Université de Tsukuba ont mis au point – une première mondiale – un système de refroidissement élastocalorique alimenté par la chaleur, qui exploite la chaleur résiduelle et l’énergie solaire pour un refroidissement durable.
Les réfrigérateurs, les systèmes de climatisation et les centres de données consomment d’énormes quantités d’électricité, et la demande en refroidissement ne cesse d’augmenter. Une équipe de chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’Université de Tsukuba, au Japon, présente une nouvelle approche, illustrée par un prototype, où la chaleur remplace le moteur électrique. Deux films ultra-minces à mémoire de forme interagissent pour convertir l’énergie thermique en travail mécanique, puis en froid mesurable. Leurs travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l’utilisation future de la chaleur résiduelle et de l’énergie solaire dans le refroidissement à l’état solide. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Energy (DOI : 10.1038/s41560-026-02122-6 ).
Le principe de refroidissement de base des réfrigérateurs, des systèmes de climatisation et des centres de données est resté inchangé depuis plus d’un siècle. Un compresseur électrique transfère la chaleur véhiculée par un fluide frigorigène d’un point à un autre. Face à une demande de refroidissement en constante augmentation, le chauffage et la climatisation représentent aujourd’hui près de la moitié de la consommation énergétique mondiale. Ce problème est aggravé par le fait que de nombreux fluides frigorigènes courants contribuent au réchauffement climatique.
Le refroidissement élastocalorique à l’état solide est considéré comme une alternative prometteuse : les alliages à mémoire de forme ont tendance à se refroidir une fois la contrainte mécanique appliquée relâchée. Cependant, même les systèmes élastocaloriques ont jusqu’à présent nécessité un actionneur électrique pour générer la force requise, ce qui les empêche d’exploiter directement des sources de chaleur abondantes telles que la chaleur résiduelle ou l’énergie solaire.
Fonctionnant à la chaleur plutôt qu’à l’électricité
C’est précisément là qu’intervient la nouvelle approche développée par l’équipe de recherche, qui consiste à coupler deux films ultra-minces de nickel-titane aux fonctions complémentaires. Le premier film exploite un effet de mémoire de forme : chauffé, il se contracte, convertissant ainsi directement l’énergie thermique en travail mécanique, sans moteur électrique. Ce mouvement est immédiatement transmis au second film où des cycles de charge et de décharge induisent des modifications réversibles de sa structure cristalline, générant du froid. La chaleur remplace ainsi l’actionneur électrique utilisé auparavant pour les systèmes de refroidissement élastocaloriques.
« L’innovation cruciale réside dans la combinaison de deux fonctions complémentaires des alliages à mémoire de forme : un film convertit la chaleur en travail mécanique et l’autre transforme ce travail en froid », explique le Dr Jingyuan Xu, responsable du groupe de jeunes chercheurs du laboratoire thermique ZEco de l’Institut de technologie des microstructures (IMT) du KIT. « Nous mettons ainsi au point une nouvelle approche pour le refroidissement à l’état solide, ouvrant la voie à des applications prometteuses de la récupération de la chaleur résiduelle et de l’énergie solaire. »
Premières valeurs de capacité de refroidissement confirmées en laboratoire
À une température d’actionneur de 86 °C, le prototype de ce système a atteint une différence de température de 4 °C au niveau des composants, tandis que la variation de température du fluide frigorigène élastocalorique s’élevait à près de 13 °C. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer expérimentalement, pour la première fois, la faisabilité de leur concept. Le dispositif a également fonctionné de manière fiable avec une source de chaleur externe de 130 °C, prouvant ainsi sa capacité à interagir avec des sources de chaleur réelles. « Le moment décisif a été la mesure du froid effectivement généré par un système thermique », explique Yi-Ting Hsiau, auteur principal de l’étude et doctorant à l’IMT. « Cela nous a prouvé que le principe n’est pas seulement valable en théorie. »
Le dispositif actuel a été conçu dans le cadre d’une étude de faisabilité et n’est donc pas encore optimisé pour une capacité de refroidissement maximale. L’équipe travaille déjà à connecter plusieurs films en parallèle afin d’accroître cette capacité. Les applications potentielles vont du refroidissement des processeurs d’ordinateurs, qui pourraient utiliser leur propre chaleur résiduelle à cette fin, au refroidissement des composants électroniques sensibles des automobiles grâce à la chaleur dégagée par la transmission.
Cette étude, menée en collaboration avec l’Université de Tsukuba au Japon, ouvre la voie à un refroidissement à semi-conducteurs thermodynamique prêt à l’emploi. « Nous pensons que ce n’est qu’un début », a déclaré Xu. « En industrialisant cette technologie, nous souhaitons développer des systèmes de refroidissement compacts exploitant des sources de chaleur abondantes pour un refroidissement durable. »
