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Un matériau qui diffuse de la chaleur dans l'espace pourrait bientôt réinventer la climatisation
Temple de James
Eli Goldstein, un cofondateur au visage frais de SkyCool Systems, a ouvert la porte du garage sur le côté de l'espace de travail exigu de la spin-out de Stanford à Burlingame, en Californie, et a roulé un ensemble de panneaux argentés carrés dans le parking.
Ils étaient inclinés vers le soleil, recouverts de ce qui ressemblait à une feuille d'aluminium parfaitement infroissable et attachés à un cadre métallique contenant un ensemble de tuyaux, de tubes et de thermomètres.
Les températures ont atteint 104 ˚F sur la péninsule de San Francisco ce jour-là, le début d'une vague de chaleur rare et torride dans la région de la baie. Passer devant les panneaux donnait l'impression de passer devant un four ouvert.
C'est précisément le but. Les panneaux de SkyCool sont essentiellement des miroirs de haute technologie, conçus pour refroidir les bâtiments beaucoup plus efficacement que les systèmes de climatisation traditionnels en exploitant une bizarrerie optique étrange qui permet à une bande étroite de rayonnement de s'échapper dans l'espace (voir The Sky May Hold the Secret to Efficient Climatisation ). Selon l'application et les conditions climatiques, la technologie pourrait réduire l'énergie utilisée pour refroidir les structures de 10 à 70 %, réduisant ainsi l'une des plus grandes demandes individuelles du réseau américain et réduisant les émissions de gaz à effet de serre en conséquence.
Comprendre comment cela fonctionne nécessite un peu de contexte. Tous les objets dégagent de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge, une forme de lumière invisible juste à droite du rouge sur le spectre. Le but des vestes, des mitaines et des foulards est de retenir autant que possible cette chaleur rayonnante, nous gardant au chaud les jours d'hiver. L'atmosphère elle-même, principalement sous forme de molécules d'eau, renvoie également une partie de la chaleur.
Mais un éclat d'émissions dans le domaine de l'infrarouge moyen (avec des longueurs d'onde comprises entre huit et 13 micromètres, pour ceux qui tiennent le score) se glisse à travers, s'échappant à travers ce qui a été décrit comme un fenêtre sur l'espace . Les matériaux émettant un rayonnement dans cette gamme le projettent littéralement dans les étendues froides de l'espace, ou du moins dans la haute atmosphère fraîche, permettant aux surfaces elles-mêmes de plonger en dessous de la température de l'air ambiant. Ce phénomène naturel est à l'origine de la formation de givre sur les surfaces en plein ciel nocturne, comme les vitres des voitures et les brins d'herbe, même lorsque les températures n'atteignent pas le point de congélation.
Un défi critique pour exploiter ce mécanisme de manière utile a été que pendant la journée, la chaleur du soleil compense généralement tout effet de refroidissement. Mais dans une recherche publiée pour la première fois en La nature Fin 2014, les scientifiques derrière SkyCool Systems ont contourné ce problème en développant un matériau avancé réglé pour émettre de la lumière infrarouge dans la plage qui glisse à travers l'atmosphère tout en réfléchissant 97 % de la lumière du soleil. Placé sur un toit sous la lumière directe du soleil, le matériau est resté à 4,9 ˚C en dessous de la température de l'air ambiant, un puissance de refroidissement de 40,1 watts par mètre carré.
Trois des chercheurs impliqués dans ce travail ont cofondé Systèmes SkyCool au printemps dernier dans le but de commercialiser la technologie. Goldstein est le directeur de la technologie de la startup ; Aaswath Raman, auteur principal de l'article original et l'un des Examen de la technologie MIT 35 innovateurs de moins de 35 ans en 2015, occupe le poste de directeur général ; et Ventilateur Shanhui , professeur de génie électrique à Stanford, agit en tant que conseiller.
Les panneaux de refroidissement radiatif passif de SkyCool sont en cours d'évaluation dans le cadre d'un essai sur le terrain à Davis, en Californie.
La semaine dernière, les chercheurs ont publié un suivi papier dans Énergie naturelle , démontrant qu'une version à plus grande échelle de la technologie peut être utilisée pour refroidir l'eau qui coule. En installant des panneaux avec de fines conduites d'eau passant directement en dessous, les chercheurs ont abaissé la température de l'eau de 5 ˚C sur trois jours de test. Le résultat suggère que la technologie peut être intégrée aux mécanismes de refroidissement existants en remplaçant ou en augmentant le composant de condenseur utilisé dans la climatisation et la réfrigération conventionnelles. Grâce à la modélisation, les chercheurs ont montré que l'intégration de la technologie dans un immeuble de bureaux de deux étages à Las Vegas réduirait les besoins en électricité du refroidissement de 21 % pendant l'été.
La possibilité de moderniser le système dans les bâtiments existants, en réduisant les coûts pour les propriétaires et les locataires, signifie que le marché potentiel est vaste. Environ 14 % de la production totale d'énergie aux États-Unis est destinée au refroidissement des bâtiments résidentiels et commerciaux. Le programme Moonshot ARPA-E du ministère de l'Énergie, qui fourni 3 millions de dollars aux chercheurs de SkyCool en 2012, ont découvert que les panneaux de refroidissement radiatifs avancés pouvaient réduire de 10 à 20 % cette utilisation et réduire les demandes de charge de pointe sur le réseau électrique.
Mais des économies d'énergie bien plus importantes peuvent être possibles pour les développeurs qui choisissent d'intégrer des systèmes de refroidissement radiatifs directement dans les nouveaux bâtiments pendant la phase de conception, déclare Nick Fernandez, analyste énergétique au Pacific Northwest National Laboratory. Si le système était couplé à un système de refroidissement par rayonnement hydronique - un moyen rare mais très efficace de refroidir les bâtiments qui fonctionne en faisant circuler de l'eau au lieu de souffler de l'air - les économies d'énergie pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation pourraient atteindre près de 70 % dans des conditions climatiques idéales. , selon une analyse de simulation publié en 2015 , dont Fernandez était l'auteur principal.
SkyCool n'est pas la seule entreprise à s'attaquer à ce marché. En février, une équipe d'ingénieurs de l'Université du Colorado à Boulder a publié un papier dans La science décrivant un matériau hybride verre-polymère qui a atteint une puissance de refroidissement radiative à midi de 93 (watt par mètre carré) sous la lumière directe du soleil. Les chercheurs ont souligné qu'ils avaient déjà compris comment fabriquer à moindre coût des rouleaux de matériau semblable à un film, ce qui en fait une technologie à grande échelle potentiellement viable pour les applications résidentielles et commerciales, selon à une publication universitaire.
Comme l'équipe de Stanford, les chercheurs de CU Boulder ont levé des fonds auprès de l'ARPA-E, déposé une demande de brevet et formé une entreprise, Radi-Cool. Les scientifiques sont en pourparlers avec des investisseurs et des fabricants potentiels, explique Ronggui Yang, professeur de génie mécanique, co-auteur de l'article et PDG par intérim de la startup.
Les chercheurs de SkyCool, qui ont obtenu un montant limité de financement fédéral et privé supplémentaire, continuent d'améliorer l'efficacité des matériaux avancés. Raman, le PDG de la startup, refuse de discuter du prix éventuel des produits, mais il pense que tous les coûts initiaux seront compensés par des économies d'énergie à long terme. Si un radiateur de toit du type que SkyCool est en train de développer pouvait être produit et installé pour moins de 58 cents par pied carré, les économies d'énergie couvriraient ces coûts en environ cinq ans, selon l'étude du Pacific Northwest Lab.
La société effectue un essai sur le terrain de sa dernière génération de panneaux à Davis, en Californie, à environ deux heures de Burlingame dans la vallée centrale, évaluant la technologie comme un moyen d'augmenter à la fois les systèmes de climatisation et de réfrigération commerciale.
La prochaine étape majeure de SkyCool sera une démonstration à grande échelle avec un premier client ou partenaire, que Raman et Goldstein espèrent commencer l'année prochaine. Ils ciblent les entreprises ayant d'importants besoins de refroidissement, comme les supermarchés et les centres de données, où les économies d'énergie s'accumulent rapidement. Les discussions avec des clients potentiels ont déjà commencé.