Un nouveau métamatériau à haut rendement énergétique peut absorber efficacement la lumière du soleil tout en limitant la perte de chaleur du corps noir à presque zéro
Les chercheurs du Center for Translational Atomaterials (CTAM) de l’université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie, ont mis au point un nouveau film à base de graphène qui peut absorber la lumière du soleil avec une efficacité de plus de 90 %, tout en éliminant simultanément la plupart des pertes d’émissions thermiques infrarouges – c’est la première fois qu’un tel exploit est rapporté.
Le résultat est un métamatériau de chauffage solaire efficace qui peut chauffer rapidement jusqu’à 83 degrés Celsius dans un environnement ouvert avec une perte de chaleur minimale. Les applications proposées pour ce film comprennent la collecte et le stockage de l’énergie thermique, la production de thermoélectricité et le dessalement de l’eau de mer.
La suppression de la perte d’émission thermique – également connue sous le nom de rayonnement du corps noir – tout en absorbant simultanément la lumière solaire est essentielle pour un absorbeur solaire thermique efficace mais est extrêmement difficile à réaliser, déclare Baohua Jia, directeur fondateur du CTAM. « C’est parce que, selon la chaleur absorbée et les propriétés de l’absorbeur, la température d’émission diffère, ce qui entraîne des différences significatives dans sa longueur d’onde », explique-t-elle. « Mais nous avons développé un métamatériau à base de graphène structuré tridimensionnel (SGM) qui est très absorbant et qui filtre sélectivement le rayonnement du corps noir ».
Le SGM 3D est composé d’un film de 30 nanomètres d’épaisseur, composé de couches alternées de graphène et de diélectrique, déposé sur une nanostructure en forme de tranchée qui fait office de substrat de cuivre pour améliorer l’absorption. Plus important encore, le substrat est structuré en matrice pour permettre un réglage flexible de l’absorption sélective en longueur d’onde.
Le film de graphène est conçu pour absorber la lumière entre 0,28 et 2,5 micromètres de longueur d’onde. Et le substrat de cuivre est structuré de manière à pouvoir agir comme un filtre passe-bande sélectif qui supprime l’émission normale de l’énergie du corps noir générée en interne. Cette chaleur retenue sert ensuite à élever davantage la température du métamatériau. Ainsi, le SGM peut rapidement atteindre 83 degrés C. Si une température différente est nécessaire pour une application particulière, une nouvelle nanostructure de tranchée peut être fabriquée et réglée pour correspondre à cette longueur d’onde spécifique du corps noir.
« Dans nos travaux précédents, nous avons fait la démonstration d’un matériau en graphène absorbant la chaleur à 90 nm », explique Baohua Ja. Bien qu’il puisse chauffer jusqu’à 160 degrés C, « la structure était plus compliquée, [comprenant] quatre couches : un substrat, une couche d’argent, une couche d’oxyde de silicium et une couche de graphène. Notre nouvelle structure à deux couches est plus simple et ne nécessite pas de dépôt sous vide. Et la méthode de fabrication est modulable et peu coûteuse ».
Images : Université de Swinburne. Un schéma montre la composition de l’absorbeur de métamatériaux en graphène structuré en 3D (en haut). Une photographie (en bas à gauche) et une image thermique (en bas à droite) montrent l’absorbeur sous la lumière du soleil.
Le nouveau matériau utilise également moins de graphène en réduisant considérablement l’épaisseur du film à un tiers, et sa minceur contribue à transférer plus efficacement la chaleur absorbée à d’autres milieux comme l’eau. En outre, le film est hydrophobe, ce qui favorise l’auto nettoyage, tandis que la couche de graphène protège efficacement la couche de cuivre de la corrosion, ce qui contribue à prolonger la durée de vie du métamatériau.
« Comme les paramètres structurels du substrat métallique sont les principaux facteurs régissant la performance d’absorption globale du SGM, plutôt que ses caractéristiques intrinsèques, différents métaux peuvent être utilisés en fonction des besoins ou du coût de l’application », déclare Keng-Te Lin, auteur principal d’un article sur le métamatériau récemment publié dans Nature Communications, et qui est également chercheur à l’université de Swinburne. La feuille d’aluminium peut également être utilisée pour remplacer le cuivre sans compromettre les performances, note-t-il.
Pour tester la conception et la stabilité du métamatériau, les chercheurs ont fabriqué un prototype en utilisant la nanofabrication laser standard, le revêtement d’oxyde de graphène auto-assemblé et la réduction photo-induite.
« Nous avons utilisé le film prototype pour produire de l’eau propre et avons obtenu un rendement impressionnant de 96,2 % de l’énergie solaire à la vapeur », explique Keng-Te Lin. « C’est très compétitif pour la production d’eau propre en utilisant une source d’énergie renouvelable ».
Il ajoute que le métamatériau peut également être utilisé pour des applications de collecte et de conversion de l’énergie, la production de vapeur, le nettoyage des eaux usées, le dessalement de l’eau de mer et la production de thermoélectricité.
Il reste encore à trouver une méthode de fabrication pour rendre le substrat évolutif.
« Nous travaillons avec une entreprise privée, Innofocus Photonics Technology, qui a commercialisé une machine de revêtement pour déposer les couches de graphène et de diélectrique », explique Baohua Ja. « Et nous en sommes satisfaits. Ce que nous cherchons maintenant, c’est une méthode appropriée pour la production à grande échelle du substrat de cuivre ». Une possibilité, ajoute-t-elle, est d’utiliser un processus « roll-to-roll ».
Pendant ce temps, les chercheurs continuent de peaufiner la conception de la nanostructure et d’améliorer la stabilité et l’efficacité d’absorption du SGM. « Quant à la commercialisation », dit Baohua Ja, « nous pensons que ce sera possible d’ici un à deux ans ».
