Ces derniers mois, des chercheurs de l’Université polytechnique de Catalogne et de l’Université de Cambridge ont réalisé une expérience simple qui pourrait avoir d’énormes implications pour le refroidissement et la réfrigération.

Ils ont placé des cristaux de plastique de néopentyl glycol (un produit chimique couramment utilisé pour produire des peintures et des lubrifiants) dans une chambre, ajouté de l’huile et actionné un piston. Au fur et à mesure que le fluide se comprenait et appliquait une pression, la température des cristaux augmentait d’environ 40 ˚C.

Il s’agissait du plus grand changement de température jamais enregistré à partir de matériaux placés sous pression. Et réduire la pression a l’effet inverse: refroidir considérablement les cristaux.

Dans un article de Nature Communications publié l’année dernière, l’équipe de recherche a déclaré que les résultats mettent en évidence une approche prometteuse pour remplacer les réfrigérants traditionnels, offrant potentiellement «un refroidissement respectueux de l’environnement sans compromettre les performances». De telles avancées sont cruciales, car l’augmentation de la richesse, la croissance démographique et la hausse des températures pourraient tripler la demande énergétique du refroidissement intérieur d’ici 2050 sans améliorations technologiques majeures, selon l’Agence internationale de l’énergie.

Le changement de température des matériaux était comparable à ceux qui se produisent dans les hydrofluorocarbures qui entraînent le refroidissement dans les systèmes de climatisation et les réfrigérateurs standard. Les hydrofluorocarbures sont cependant de puissants gaz à effet de serre.

Le travail est basé sur un phénomène connu depuis longtemps, familier si vous avez déjà étiré un ballon et l’avez touché à vos lèvres, dans lequel certains matériaux produisent de la chaleur lorsqu’ils sont mis sous pression ou stressés. Les placer à proximité de champs magnétiques et électriques fait également l’affaire pour certains matériaux, tout comme certaines combinaisons de ces forces.

Les scientifiques développent des réfrigérateurs magnétiques basés sur ces principes depuis des décennies, bien qu’ils aient tendance à nécessiter des aimants gros, puissants et coûteux. Mais des progrès considérables sont en cours, selon un article de synthèse publié jeudi dans Science, rédigé par Xavier Moya et ND Mathur, des spécialistes des matériaux de l’Université de Cambridge qui ont travaillé sur les expériences décrites ci-dessus.

Les équipes de recherche identifient de nombreux matériaux «caloriques» qui subissent de grands changements de température et les mettent en œuvre dans des prototypes de dispositifs de chauffage et de refroidissement, selon le document Science. Les matériaux et les appareils capables de libérer et de transférer de grandes quantités de chaleur en utilisant l’électricité, la contrainte et la pression – des champs qui n’ont vraiment décollé que depuis un peu plus d’une décennie – rattrapent déjà les performances obtenues grâce à des décennies de travail dans le domaine des dispositifs de refroidissement.

En plus de réduire le besoin en hydrofluorocarbures, l’espoir est que la technologie pourrait éventuellement être plus économe en énergie que les dispositifs de refroidissement standard, étant donné la chaleur libérée par rapport à la quantité d’énergie nécessaire pour conduire le changement. Un changement critique ici est que les matériaux restent à l’état solide, tandis que les réfrigérants traditionnels, comme les hydroflurocarbones, fonctionnent en se déplaçant entre les phases gazeuse et liquide.

Déclencher un changement de phase

Voici comment fonctionne la technologie:

De nombreux matériaux présentent de petits changements de température sous certaines forces. Mais les chercheurs ont recherché des matériaux qui subissent de grands changements, idéalement avec le moins d’énergie ajoutée possible. Entre autres matériaux, certains alliages métalliques ont montré des résultats prometteurs sous contrainte; certaines céramiques et polymères répondent bien aux champs électriques; et les sels inorganiques et le caoutchouc semblent prometteurs pour la pression.

Les forces ou les champs alignent les atomes ou les molécules dans les matériaux de manière plus ordonnée, entraînant un changement de phase similaire au moment où les molécules d’eau à écoulement libre se transforment en cristaux de glace compacts. (Une différence clé: le changement de phase se produit alors que les matériaux restent à l’état solide, juste un plus rigide.) Ce processus libère suffisamment de chaleur latente pour tenir compte de la différence d’énergie entre les deux états. Lorsque les matériaux reviennent, au fur et à mesure que les forces sont libérées, cela produit une diminution de température qui peut ensuite être exploitée à des fins de refroidissement.

Ce n’est pas si différent de la façon dont les dispositifs de refroidissement fonctionnent aujourd’hui, qui décompriment les hydrofluorocarbures au point qu’ils passent d’un liquide à un gaz. Mais cette approche de refroidissement à l’état solide peut être beaucoup plus économe en énergie, du moins en partie, car vous n’avez pas à déplacer les molécules aussi loin pour provoquer le changement de phase, explique Jun Cui, chercheur principal au laboratoire Ames.

Entrer sur le marché

La clé pour fournir des appareils commerciaux compétitifs est d’identifier les matériaux abordables qui subissent de grands changements de température, qui reviennent facilement en arrière, peuvent supporter des cycles prolongés de ces changements sans tomber en panne (les réfrigérateurs commerciaux peuvent fonctionner pendant des millions de cycles) et ne sont pas chers.

Certains matériaux et cas d’utilisation sont sur le point d’atteindre le marché commercial, déclare Ichiro Takeuchi, scientifique des matériaux à l’Université du Maryland. Il a lancé une entreprise pour produire des dispositifs de refroidissement à partir de matériaux qui répondent au stress il y a environ dix ans, appelée Maryland Energy & Sensor Technology.

Son groupe de recherche a mis au point un prototype de dispositif de refroidissement qui comprime et libère des tubes en nickel-titane, pour induire le chauffage et le refroidissement. L’eau qui coule à travers les tubes absorbe et dissipe la chaleur pendant la phase initiale, puis fonctionne à l’envers pour refroidir l’eau qui peut être utilisée pour refroidir un récipient ou un espace de vie.

Le prototype de dispositif de refroidissement développé par le groupe de recherche d’Ichiro Takeuchi.

COURTOISIE: ICHIRO TAKEUCHI

La société prévoit de produire un refroidisseur à vin, qui ne nécessite pas la même puissance de refroidissement qu’un grand réfrigérateur ou une unité de climatisation de fenêtre, en tant que produit initial, en utilisant un matériau non spécifié mais moins coûteux.

Pendant ce temps, Moya, l’un des auteurs de l’article Science, a également cofondé sa propre startup il y a environ un an et demi. Barocal Ltd, basée à Cambridge, en Angleterre, a développé un prototype de pompe à chaleur qui repose sur des cristaux de plastique «liés au néopentyl glycol mais mieux», dit-il.

Au total, une douzaine de startups ont été formées pour commercialiser la technologie, et un certain nombre d’entreprises existantes, y compris le géant chinois de l’électroménager Haier et Astronautics Corporation of America, ont également exploré son potentiel.

Cui s’attend à voir certains des premiers produits commerciaux basés sur des matériaux déclenchés par la force et le stress dans les cinq à dix prochaines années, mais ajoute qu’il faudra probablement des années de plus pour que les prix deviennent compétitifs par rapport aux produits de refroidissement standard.

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