Les systèmes de conversion thermophotovoltaïque représentent une solution technologique pour la récupération d’énergie thermique perdue. L’industrie américaine perd annuellement plus de 200 milliards de dollars en chaleur non exploitée. La physique quantique a permis d’établir de nouveaux paradigmes dans l’optimisation des rendements énergétiques. Les recherches menées par une équipe de chercheurs démontrent l’importance des interactions photoniques dans l’amélioration des performances.
Le professeur Gururaj Naik et son équipe de l’Université Rice ont mis au point un émetteur thermique capable d’atteindre des rendements supérieurs à 60% tout en restant compatible avec les applications industrielles. La recherche, publiée dans npj Nanophotonics, démontre l’efficacité d’une nouvelle approche de conception.
Le Dr Ciril Samuel Prasad a affirmé : «Nous avons démontré comment obtenir les meilleures performances possibles pour l’émetteur en tenant compte des contraintes de conception réalistes». Une déclaration qui souligne l’aspect pratique des avancées réalisées.
Une architecture innovante multiniveaux
L’émetteur développé se compose d’une feuille de tungstène métallique, d’une fine couche d’un matériau espaceur et d’un réseau de nanocylindres en silicium. Les couches de base accumulent le rayonnement thermique sous forme de photons, tandis que les résonateurs nanométriques en surface interagissent pour contrôler précisément l’émission lumineuse vers la cellule photovoltaïque.
Le professeur Naik a souligné : «En prenant en compte les interactions entre résonateurs plutôt que leurs performances individuelles, nous avons découvert de nouvelles possibilités de contrôle du stockage et de la libération des photons». Une approche dont l’efficacité a été démontrée par les tests en laboratoire.
Par les industriels, les gains d’efficacité sont considérés comme une alternative viable aux batteries lithium-ion, particulièrement pour le stockage énergétique longue durée. Les secteurs générant d’importantes quantités de chaleur résiduelle bénéficieront directement des améliorations apportées aux systèmes de conversion.
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Les applications spatiales ont été largement étudiées par l’équipe de recherche. Le rendement des rovers martiens pourrait être augmenté de 2% à 5%, selon les calculs effectués en laboratoire. Les missions d’exploration spatiale profiteront des optimisations réalisées sur les systèmes de conversion énergétique.
Perspectives et développements futurs
Les recherches, soutenues financièrement par la National Science Foundation et l’U.S. Army Research Office, ont atteint les limites des matériaux actuels. De nouveaux progrès seront rendus possibles par le développement de matériaux aux propriétés optimisées. L’expérience acquise par le professeur Naik auprès de la NASA et dans l’entrepreneuriat renforce la pertinence des technologies de conversion pour les besoins énergétiques contemporains.
Les prochaines étapes de développement seront focalisées sur l’amélioration des propriétés des matériaux et l’optimisation des interactions entre composants. Les équipes de recherche concentrent leurs efforts sur la réduction des pertes énergétiques et l’augmentation des rendements globaux des systèmes.
Légende illustration : Réacteur (à gauche) utilisé pour tester le nouvel émetteur thermique. crédit : Gustavo Raskosky/Rice University
Article : ‘Non-Hermitian selective thermal emitter for thermophotovoltaics’ / DOI : s44310-024-00044-3 – Rice University – Publication dans la revue npj Nanophotonics / 21-Nov-2024
