Comment des matériaux dont vous n'avez jamais entendu parler pourraient nettoyer la climatisation

Tubes et autres composants d'un prototype de matériaux caloriques développé à l'Université du Maryland. Courtoisie : Ichiro Takeuchi

Il y a plusieurs années, des chercheurs de l'Université polytechnique de Catalogne et de l'Université de Cambridge ont réalisé une série d'expériences simples qui pourraient 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, ont ajouté de l'huile et ont enfoncé un piston. Au fur et à mesure que le fluide se comprimait et appliquait une pression, la température des cristaux augmentait d'environ 40 ˚C.

C'était le plus grand changement de température jamais enregistré de mettre les matériaux sous pression, du moins lorsque les résultats ont été publiés dans un article de Nature Communications l'année dernière. Et alléger la pression a l'effet inverse, refroidissant les cristaux de façon spectaculaire.

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 les demandes d'énergie du refroidissement intérieur d'ici 2050 sans améliorations technologiques majeures, les projets de l'Agence internationale de l'énergie .

Le changement de température dans les matériaux était comparable à ceux qui se produisent dans les hydrofluorocarbures qui entraînent le refroidissement dans les systèmes de climatisation et les réfrigérateurs standard. Cependant, les hydrofluorocarbures sont 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 les matériaux dits caloriques dégagent de la chaleur lorsqu'ils sont mis sous pression ou sollicités. Soumettre certains matériaux à des champs magnétiques et électriques, ou à une combinaison de ces forces, fait également l'affaire dans certains cas.

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 les chercheurs font des progrès considérables dans le domaine, selon un article de synthèse dans Science jeudi, écrit par Xavier Moya et N.D. Mathur, scientifiques des matériaux à 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 au travail dans des prototypes de dispositifs de chauffage et de refroidissement, notent les auteurs. Les matériaux et les dispositifs qui peuvent libérer et transférer de grandes quantités de chaleur en utilisant l'électricité, la contrainte et la pression - des approches qui n'ont vraiment décollé qu'il y a un peu plus d'une décennie - rattrapent déjà les performances obtenues grâce à des décennies de travail dans l'aimant- dispositifs de refroidissement à base.

En plus de réduire le besoin d'hydrofluorocarbures, l'espoir est que la technologie pourrait éventuellement être plus économe en énergie que les dispositifs de refroidissement standard, compte tenu de la chaleur dégagée par rapport à la quantité d'énergie nécessaire pour conduire le changement. Une différence essentielle avec cette technologie est que les matériaux restent à l'état solide, tandis que les réfrigérants traditionnels, comme les hydrofluorocarbures, fonctionnent en passant 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 réagissent 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, provoquant un changement de phase similaire à ce qui se produit lorsque les molécules d'eau à écoulement libre se transforment en cristaux de glace compacts. (Dans le cas des matériaux caloriques, cependant, le changement de phase se produit alors que les matériaux restent à l'état solide, bien que 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 lorsque les forces sont relâchées, cela produit une baisse de température qui peut ensuite être exploitée pour le refroidissement.

Ce n'est pas très différent de la façon dont les dispositifs de refroidissement fonctionnent aujourd'hui : ils décompressent 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 parce qu'il n'est pas nécessaire de déplacer les molécules aussi loin pour provoquer le changement de phase, explique Jun Cui, scientifique principal au laboratoire Ames.

Entrer sur le marché

La clé pour fournir des appareils commerciaux compétitifs est d'identifier des matériaux abordables qui subissent de grands changements de température, reviennent facilement en arrière, résistent à des cycles prolongés de ces changements sans tomber en panne (réfrigérateurs commerciaux peut 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 lancé une entreprise pour produire des dispositifs de refroidissement à partir de matériaux qui réagissent au stress il y a environ une décennie, appelés Maryland Energy & Sensor Technology.

Son groupe de recherche a développé un prototype de dispositif de refroidissement qui comprime et libère des tubes en nickel-titane pour induire un chauffage et un refroidissement. L'eau qui traverse les tubes absorbe et dissipe la chaleur pendant la phase initiale, puis le processus s'exécute en sens inverse pour refroidir l'eau qui peut être utilisée pour refroidir un conteneur ou un espace de vie.

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

AVEC LA COURTOISIE : ICHIRO TAKEUCHI

L'entreprise prévoit de produire un refroidisseur à vin, qui ne nécessite pas la même puissance de refroidissement qu'un grand réfrigérateur ou un climatiseur de fenêtre, en tant que produit initial, en utilisant un matériau non spécifié mais moins coûteux.

Moya, l'un des auteurs de l'article scientifique, a cofondé sa propre startup il y a environ un an et demi. baroque , basée à Cambridge, en Angleterre, a développé un prototype de pompe à chaleur reposant sur cristaux en plastique qui sont liés au néopentyl glycol mais en mieux, dit-il.

Au total, une douzaine de startups ont été créées pour commercialiser la technologie, et un certain nombre d'entreprises existantes, dont 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 qui changent de température en réponse à la force et au stress dans les cinq à 10 prochaines années, mais il dit qu'il faudra probablement des années de plus pour que les prix deviennent compétitifs avec les produits de refroidissement standard. .

Mise à jour : Cette histoire a été mise à jour pour clarifier le moment des expériences sur le néopentyl glycol.

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