Un nouveau dispositif produit de l'énergie en envoyant de la chaleur dans l'espace.
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Un dispositif d'évacuation de la chaleur pourrait un jour servir à refroidir les serres et les maisons. Au lieu d'absorber l'énergie solaire pour produire de l'électricité, une nouvelle génération de dispositifs génère de l'énergie en absorbant la chaleur ambiante et en la projetant dans l'espace. Ces dispositifs, qui ne nécessitent pas de matériaux exotiques comme leurs prédécesseurs, pourraient contribuer à la ventilation des serres et des habitations, selon les chercheurs.
En 2014, des scientifiques ont inventé des matériaux ultrafins capables de refroidir les bâtiments sans électricité en envoyant de la chaleur dans l'espace. Lorsque ces matériaux absorbent la chaleur, leur composition et leur structure leur permettent d'émettre cette chaleur sous forme de rayonnements infrarouges à des longueurs d'onde très spécifiques, que l'air n'absorbe pas.
Ce rayonnement peut ainsi quitter l'atmosphère, emportant avec lui de l'énergie et refroidissant la zone environnante grâce à un processus appelé refroidissement radiatif. Ces matériaux pourraient contribuer à réduire la demande en électricité. Aux États-Unis seulement, la climatisation représente près de 15 % de la consommation d'électricité des bâtiments.
Les chercheurs ont alors commencé à explorer la possibilité d'exploiter le refroidissement radiatif pour produire de l'énergie. Alors que les cellules solaires produisent de l'électricité grâce à l'énergie solaire qu'elles reçoivent, les dispositifs thermoradiatifs pourraient générer de l'énergie à partir de l'énergie qu'ils rejettent dans l'espace.
« Les dispositifs thermoradiatifs fonctionnent comme des cellules solaires, mais à l'envers », explique Jeremy Munday , professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Californie à Davis. « Au lieu de les diriger vers un objet chaud comme le soleil, on les dirige vers un objet froid, comme le ciel. »
Cependant, ces dispositifs étaient généralement des composants électroniques à semi-conducteurs nécessitant des matériaux rares ou coûteux pour fonctionner efficacement. Dans une nouvelle étude, Munday et ses collègues ont exploré l'utilisation de moteurs Stirling, qui, selon lui, « sont mécaniquement simples et ne requièrent pas de matériaux exotiques. Ils produisent également directement de l'énergie mécanique, précieuse pour des applications telles que la ventilation ou le pompage de l'eau, sans conversion électrique intermédiaire. »
Un moteur Stirling rencontre une antenne émettrice de chaleur
Au cœur d'un moteur Stirling se trouve un gaz contenu dans une chambre étanche. Lorsqu'il est chauffé, ce gaz se dilate et la pression augmente à l'intérieur de la chambre ; lorsqu'il refroidit, il se contracte, ce qui diminue la pression. Ce cycle de dilatation et de contraction actionne un piston et produit de l'énergie.
Alors que les moteurs à combustion interne dépendent de grandes différences de température pour générer de l'énergie, un moteur Stirling est très efficace lorsqu'il s'agit de petites différences de température.
« Les moteurs Stirling existent depuis le début du XIXe siècle, mais ils fonctionnaient jusqu'à présent en touchant un objet chaud et en rejetant la chaleur résiduelle dans l'environnement ambiant », lance Jeremy Munday. Le nouveau dispositif, quant à lui, est chauffé par son environnement et refroidi lorsqu'il rayonne de l'énergie dans l'espace.
Ce nouvel appareil combine un moteur Stirling avec un panneau faisant office d'antenne rayonnante. Les chercheurs l'ont installé au sol, à l'extérieur, la nuit.
Une année d'expérimentations nocturnes a révélé que le dispositif pouvait générer un refroidissement de plus de 10 degrés Celsius la plupart des mois, que les chercheurs ont pu convertir en une puissance mécanique de plus de 400 milliwatts par mètre carré. Les scientifiques ont utilisé leur invention pour alimenter directement un ventilateur et l'ont également couplée à un petit moteur électrique pour produire du courant.
Le moteur expérimental de Jeremy Munday ressemble à une hélice mécanique et est monté sur une plaque de métal.
Puisque ce nouvel appareil tire son énergie de la chaleur ambiante terrestre et non du soleil, sa puissance de sortie « est bien inférieure à celle des panneaux photovoltaïques — environ deux ordres de grandeur inférieure », assure Jeremy Munday. « Cependant, l’objectif n’est pas de remplacer l’énergie solaire. Il s’agit plutôt de permettre un travail utile lorsque l’énergie solaire est indisponible, par exemple la nuit, et ce, sans nécessiter de batteries, de câblage ni de carburant. »
Les chercheurs ont calculé que le dispositif pourrait générer un débit d'air supérieur à 0,14 m3 par minute, soit le débit minimal requis par l'ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) pour minimiser les effets néfastes sur la santé dans les bâtiments publics. Selon eux, les applications potentielles incluent la circulation du dioxyde de carbone dans les serres et l'amélioration du confort dans les habitations.
Jeremy Munday et ses collègues soulignent qu'il existe de nombreuses façons d'améliorer encore les performances du dispositif. Par exemple, ils pourraient remplacer l'air emprisonné dans le dispositif par de l'hydrogène ou de l'hélium, ce qui réduirait les frottements internes du moteur. « Grâce à des moteurs plus performants, nous pensons que cette approche pourrait permettre le développement d'une nouvelle génération de systèmes d'alimentation passifs, fonctionnant 24 h/24 et 7 j/7, qui complètent l'énergie solaire et contribuent à la résilience des infrastructures hors réseau », explique Jeremy Munday.
À l'avenir, « nous aimerions installer ces dispositifs dans une véritable serre, à titre de première démonstration de faisabilité », précise Jeremy Munday. Ils souhaiteraient également concevoir un dispositif fonctionnant de jour, précise-t-il.
Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes dans la revue Science Advances .