Le refroidissement à l'état solide ne nécessite pas d'électricité : la chaleur se transforme en froid
Des chercheurs ont mis au point – une première mondiale – un système de refroidissement élastocalorique à entraînement thermique qui exploite la chaleur résiduelle et l'énergie solaire pour assurer un refroidissement durable.
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Les réfrigérateurs, les systèmes de climatisation et les centres de données consomment d’énormes quantités d’électricité, et les besoins en refroidissement ne cessent d’augmenter. Une équipe de chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’université de Tsukuba, au Japon, présente aujourd’hui une nouvelle approche, étayée par un prototype, dans laquelle la chaleur remplace le rôle auparavant joué par un moteur électrique. Deux films ultra-fins à mémoire de forme interagissent pour convertir l’énergie thermique en travail mécanique dans un premier temps, puis finalement en froid mesurable. Leurs travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l’utilisation future de la chaleur résiduelle et de l’énergie solaire dans le domaine du refroidissement à l’état solide. Les résultats ont été publiés dans la revue *Nature Energy*.
Le principe de base du refroidissement des réfrigérateurs, des systèmes de climatisation ou des centres de données est le même depuis plus d’un siècle. Un compresseur alimenté en électricité transfère la chaleur transportée par un fluide frigorigène d’un endroit à un autre. La demande en refroidissement ne cessant d’augmenter, le refroidissement et le chauffage représentent désormais près de la moitié de la consommation énergétique mondiale. Cette situation est aggravée par le fait que de nombreux fluides frigorigènes courants contribuent au réchauffement climatique. Le refroidissement à l’état solide élastocalorique est considéré comme une alternative prometteuse : les alliages à mémoire de forme ont tendance à se refroidir dès qu’une contrainte mécanique précédemment appliquée est relâchée. Cependant, même les systèmes élastocaloriques reposaient jusqu’à présent sur un actionneur électrique pour générer la force nécessaire – ce qui signifie qu’ils ne pouvaient pas exploiter directement des sources de chaleur abondantes telles que la chaleur résiduelle ou l’énergie solaire.
Alimentés par la chaleur plutôt que par l’électricité
C’est précisément là qu’intervient la nouvelle approche mise au point par l’équipe de recherche, qui consiste à coupler deux films ultra-minces de nickel-titane ayant des fonctions complémentaires. Le premier film utilise un effet de mémoire de forme : une fois chauffé, il commence à se contracter, convertissant ainsi directement l’énergie thermique en travail mécanique – sans l’aide d’un moteur électrique. Ce mouvement se transmet immédiatement au deuxième film où des cycles de charge et de décharge provoquent des modifications réversibles de la structure cristalline qui génèrent du froid. Ainsi, la chaleur remplace l’actionneur à entraînement électrique qui était auparavant utilisé pour actionner les systèmes de refroidissement élastocaloriques.
« L’innovation majeure réside dans le fait que nous combinons deux fonctions complémentaires des alliages à mémoire de forme : un film convertit la chaleur en travail mécanique et l’autre film convertit ce travail en froid », a déclaré le Dr Jingyuan Xu, qui dirige le groupe de jeunes chercheurs du laboratoire ZEco Thermal au sein de l’Institut des technologies de microstructure (IMT) du KIT. « Nous établissons ainsi une nouvelle approche pour le refroidissement à l’état solide, ouvrant par là même des perspectives passionnantes pour l’utilisation de la chaleur résiduelle et de l’énergie solaire. »
Premières valeurs de capacité de refroidissement confirmées en laboratoire
À une température de l’actionneur de 86 °C, le prototype de ce système a atteint une différence de température de 4 °C au niveau du composant, tandis que la variation de température du réfrigérant élastocalorique s’élevait à près de 13 °C. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer pour la première fois la faisabilité de leur concept en conditions expérimentales. Le dispositif a également fonctionné de manière fiable avec une source de chaleur externe fournissant une température de 130 °C, démontrant ainsi que le système est capable de fonctionner avec des sources de chaleur réelles. « Le moment décisif pour nous a été celui où nous avons pu mesurer le froid qui avait bel et bien été généré par un système alimenté par de la chaleur », a déclaré Yi-Ting Hsiau, auteur principal de l’étude et doctorant à l’IMT. « Cela nous a montré que le principe ne fonctionne pas seulement en théorie. »
Le dispositif actuel a été conçu dans le cadre d’une étude de faisabilité et n’est donc pas encore optimisé pour une capacité de refroidissement maximale. L’équipe travaille déjà à la mise en parallèle de plusieurs films afin d’augmenter la capacité de refroidissement. Les applications potentielles vont du refroidissement des processeurs d’ordinateurs, qui pourraient utiliser leur propre chaleur résiduelle à cette fin, au refroidissement des composants électroniques sensibles dans les automobiles à l’aide de la chaleur provenant du groupe motopropulseur.
Cette étude a été menée en collaboration avec l’université de Tsukuba au Japon, ouvrant la voie à un refroidissement à l’état solide alimenté par la chaleur et adapté à une utilisation pratique. « Nous pensons que ce n’est qu’un début », a déclaré M. Xu. « En développant cette technologie à plus grande échelle, nous souhaitons mettre au point des systèmes de refroidissement compacts qui exploitent des sources de chaleur abondantes pour un refroidissement durable. »
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