Les ampoules à incandescence, reconnaissables à leur filament, leur dégagement de chaleur et leur lumière chaude sont abandonnées dans l’Union Européenne depuis 2012.
Toutefois, elles pourraient bien connaître une seconde jeunesse grâce à un procédé innovant développé par le MIT (Massachusetts Institute of Technology) et la l’Universitée de Purdue (États-Unis).
Les différents règlements législatifs visant à améliorer l’efficacité énergétique ont été souvent à l’origine de l’élimination progressive de ce type d’ampoule en faveur d’autres beaucoup plus efficaces comme les lampes fluorescentes compactes (LFC) ou les diodes électroluminescentes (LED).
Les ampoules à incandescence inventées par Joseph Swan puis améliorées par Thomas Edison ont pour principe de chauffer un fil mince de tungstène à des températures d’environ 2700°C. Ce fil chaud émet ce qu’on appelle un rayonnement de corps noir, un très large spectre électromagnétique qui donne un aspect chaleureux et un rendu fidèle de toutes les couleurs de la lumière.
Ces ampoules souffre cependant d’un problème majeur : Plus de 95% de l’énergie est gaspillée, la plus grande partie sous forme de chaleur. Voilà pourquoi, pays après pays, cette technologie plus que centenaire est retirée progressivement des circuits de commercialisation.
Des chercheurs** du MIT et de l’Université de Purdue ont peut-être trouvé un moyen de changer la donne.
Quand la lumière est recyclée à l’infini
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Selon les chercheurs, la clé se trouve dans la création d’un cheminement en deux étapes. La première implique un filament métallique chauffé de manière classique, avec toutes les pertes induites. Mais au lieu de laisser la chaleur se dissiper sous forme de rayonnements infrarouges, des filtres secondaires entourant les filaments les capturent et les renvoient vers le filament afin d’être ré-absorbés et réémis sous forme de lumière visible. Ces filtres, sous une forme de cristal photonique, sont constituées d’éléments communs et peuvent être appliquées selon la technologie de dépôt classique.
Cette deuxième étape réalise une différence spectaculaire dans la façon dont le système convertit efficacement l’électricité en lumière. La quantité qui caractérise la source d’éclairage aussi appelée efficacité lumineuse tient compte de la réponse de l’oeil humain. Considérant que l’efficacité lumineuse des lampes à incandescence classiques se situe entre 2 et 3%, celle des tubes fluorescents (LFC) entre 7 et 15%, et celle de la plupart des LEDs commerciaux entre 5 et 20%, les nouvelles ampoules à incandescence pourraient atteindre des rendements aussi élevés que 40% !
Les premiers prototypes conçus par l’équipe ne parviennent pas encore à ce niveau. "Mais le résultat préliminaire obtenu ( 6,6% ) correspond à l’efficacité de certaines ampoules fluocompactes et LED d’aujourd’hui", ont ils souligné. L’amélioration obtenue correspond également à un triplement de l’efficacité des ampoules à incandescence classiques.
Leur approche revient à faire du recyclage de lumière. Leur dispositif récupère les longueurs d’ondes invisibles et perdues en les convertissant dans des longueurs d’onde de la lumière visible. "Il recycle l’énergie qui serait autrement perdue", a indiqué Marin Soljacic.
Cette technologie innovante possède tout le potentiel pour convenir à de nombreuses autres applications, a t-il ajouté. La même approche pourrait "avoir des conséquences très importantes" pour la performance des procédés de conversion de l’énergie tels que le thermo-photovoltaïque. Dans un dispositif thermo-photovoltaïque, la chaleur provenant d’une source externe (chimique, énergie solaire, etc.) permet d’obtenir une matière luminescente, l’amenant à émettre de la lumière qui est ensuite convertie en électricité par un absorbeur photovoltaïque.
Et de conclure, "la capacité de contrôler les émissions thermiques est très importante. Voilà la vraie contribution de ce travail."
** Ces nouveaux travaux sont rapportés dans la revue ‘Nature Nanotechnology’ par trois professeurs du MIT – Marin Soljacic, professeur de physique ; John Joannopoulos également professeur de Physique à la Francis Wright Davis ; Gang Chen, professeur en génie électrique à la Carl Richard Soderberg – ainsi que le scientifique principal de recherche Ivan Celanovic du MIT, et le professeur de physique au Purdue, Peter Bermel.
La dernière phrase de l’article est sans aucun doute la plus importante.
Les LFC n’étaient qu’une solution temporaire: présence de mercure dans les tubes + terres rares de disponibilité très limités + mauvaise tenu aux cycles marche/arret. Les LEDs n’ont pas ces défauts, sont plus facilement recyclable et ont l’air de mieux tenir dans le temps. Pourquoi revenir au filament tungstène qui va casser sous les 1000h? Controler les émissions thermiques? Oui si ça peut s’appliquer aux températures industrielles….
C’est bien vu ……. Fallait y penser !
En fait ce n’est pas du recyclage de chaleur en lumière, c’est de maintenir la chaleur émise dans l’infra-rouge près du filament. Un isolant en sorte. Emettre un photon visible avec deux photons basse énergie, cela aurait été digne du prix Nobel… Le détail ici: Il y avait déja eu des travaux sur des couches Tio2/Ag/Tio2. Cette techno est aussi utilisée dans les objectifs photos pour filtrer les infra rouges. Du coup pas applicable au PV il me semble.
Aujourd’hui, sans aucune technologie compliquée, même si les constructeurs tentent de le faire croire, on a la possibilité d’utiliser la double production d’énergie des PV : electricité + chaleur. Un bricoleur peut refroidir ses panneaux en faisant simplement passer un serpentin d’eau derrière, en vue de préchauffer son ECS par exemple. Une offre commerciale propose de faire de l’air chaud avec du PV. Je suis circonspect à cause du prix, d’abords, puis à cause du fait que le moment del’année où se fait vraiment l’air chaud est l’été. Notons que le refoirdissement des PV augmente leur rendement, limite la baisse plus exactement.
Il n’existe pas de corps solide capable de supporter la température du soleil, 6000°C. Et donc renvoyer avec des filtres, à base de couches alternées, la lumière infrarouge perdue à environ 1000°C vers le filament est une solution efficace qui peut avoir des filaments à longue durèe de vie, si on les chauffe moins que dans les ampoules usuelles à filaments, où la durèe de vie dégringole vite avec la température en sens inverse du rendement, par évaporation du filament de métal chauffé. Une ampoule à filament ainsi sous chauffée, rougeatre, éclaire depuis un siècle, mais très peu !! Des LEDS ont des terres rares aussi pour convertir la lumière et aussi d’autres éléments toxiques ou rares. On peut baisser la fréuence de la lumière, d’un photon faire deux photons (fluorescence ) à fréquence bien plus faible, mais il est très difficile de multiplier la fréquence, soit d’infrarouge avec deux photons faire un photon de fréquence double dans le visible, sauf comme en électronique avec un doubleur de fréquence par effet non linéaire au niveau atomique par des effets collectifs entre atomes, de fait électronique atomique qui reste à découvrir, mais possible.
Les LFC contiennent les terre rares: lanthane, cérium, terbium, yttrium, europium et le gadolinium. (des noms que je n’avais jamais vus…..) Les LEDs blanches sont composées d’une LED bleu dont la lumière passe à travers une couche de phosphore qui étale le spectre vers le rouge. La quantité de phosphore donne la couleur de la LED (3000K, 2700K, etc). La LED bleue est généralement du InGaN. L’indium est cher à cause des écrans plats, le gallium est relativement abondant, et l’azote pas de soucis.
Relisez : PRECHAUFFAGE de l’eau ECS…