Aérogels, une solution innovante pour le refroidissement sans énergie

Les aérogels, reconnus pour leur porosité et leur faible densité, sont des matériaux solides offrant une fonctionnalité polyvalente. Utilisés traditionnellement pour l’isolation thermique dans l’industrie aérospatiale, des scientifiques de l’Université Nationale de Singapour (NUS) ont exploité leurs propriétés uniques pour des applications variées dans la construction, la remédiation environnementale, la délivrance de médicaments, et même les textiles.

Aérogels pour le refroidissement radiatif

Les systèmes de refroidissement traditionnels, tels que les climatiseurs, consomment une quantité importante d’énergie, représentant environ 20 % de l’électricité utilisée dans les bâtiments à l’échelle mondiale. Les nouveaux aérogels développés par l’équipe de la NUS offrent une alternative de refroidissement passif, exploitant le processus naturel de refroidissement radiatif pour dissiper la chaleur dans l’espace sans consommer d’énergie.

« Ce processus implique l’utilisation d’aérogels spécialement conçus pour émettre des radiations infrarouges à travers la ‘fenêtre du ciel’ atmosphérique, refroidissant ainsi les températures de surface en dessous des niveaux ambiants », a précisé le Professeur Associé Duong. « Nous sommes ravis de pouvoir recycler les fibres des bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) jetables pour les nouveaux aérogels conçus à cet effet, afin de contribuer à résoudre la crise mondiale des déchets plastiques. »

Auparavant, l’équipe avait travaillé avec des fibres de PET pour produire des aérogels, mais cette nouvelle méthode est nettement plus économe en énergie, consommant environ 97 % moins d’énergie et réduisant le temps de production de 96 %. Lors des tests effectués dans le climat chaud de Singapour, en collaboration avec le Dr Jaesuk Hwang du Centre pour les Technologies Quantiques de la NUS, 0,5 centimètre de ce matériau a produit un effet de refroidissement de 2°C, en émettant de la chaleur infrarouge dans les environs tout en offrant une bonne isolation thermique, empêchant l’absorption de chaleur de l’environnement.

« Ces aérogels pourraient réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, en particulier dans les climats tropicaux où le refroidissement est désormais une nécessité », a ajouté le Professeur Associé Duong.

Les recherches futures se concentreront sur l’adaptation de ces aérogels à diverses conditions climatiques et sur l’élargissement de leurs applications au-delà de l’isolation des bâtiments, comme dans les processus industriels où la gestion thermique efficace des tuyaux de circulation de liquides est cruciale.

Aérogels pour l’absorption des ondes électromagnétiques

Les dispositifs électroniques modernes émettent des ondes électromagnétiques (EMW) pouvant perturber les équipements voisins et poser des risques pour la santé, notamment des dommages à l’ADN et des cancers. Il est donc crucial de développer des matériaux capables d’absorber efficacement les EMW pour protéger à la fois les humains et les infrastructures de ces effets néfastes. Les applications incluent l’amélioration de la confidentialité et de la sécurité des bâtiments ainsi que la protection des équipements médicaux sensibles.

Pour répondre à ce besoin, l’équipe du Professeur Associé Duong a mis au point une procédure évolutive et écologique pour produire des aérogels novateurs efficaces dans l’absorption des EMW. Le processus implique le mélange de trois composants principaux — des nanotubes de carbone, de l’alcool polyvinylique et de la carboxyméthylcellulose — suivi d’un séchage par congélation.

L’aérogel, d’une épaisseur d’environ 3 millimètres — soit la largeur de 40 cheveux humains — a démontré une performance impressionnante en absorbant 99,99 % de l’énergie des EMW. Sur l’ensemble de la bande X (8,2-12,4 GHz) du spectre électromagnétique, utilisée principalement pour les systèmes radar, la surveillance météorologique et le contrôle du trafic aérien, l’aérogel a constamment montré sa capacité à absorber 90 % de l’énergie des EMW.

« En plus d’offrir une large bande d’absorption de 1,2 à 2,2 GHz dans la bande X, notre aérogel est également environ 10 fois plus léger que les composites existants utilisés pour l’absorption des EMW », a précisé le Professeur Associé Duong. « Contrairement à d’autres composites, notre aérogel ne nécessite aucun mélange avec des charges polymères lourdes avant utilisation. »

Les chercheurs ont estimé que la production d’un mètre carré de l’aérogel, avec une épaisseur d’un centimètre, coûte moins de 74 USD. Ce coût est nettement inférieur au prix d’autres matériaux commerciaux similaires, qui peuvent varier de 133 USD à plus de 738 USD.

À l’avenir, l’équipe prévoit d’affiner les propriétés mécaniques de l’aérogel, telles que la flexibilité, pour élargir leur applicabilité à divers projets de construction et d’infrastructure. Les chercheurs visent également à réaliser des tests en conditions réelles pour évaluer pleinement les capacités d’absorption des EMW des aérogels dans des scénarios pratiques.

Légende illustration : En utilisant des déchets plastiques, des chercheurs de l’université nationale de Singapour ont mis au point des aérogels à couche mince qui fonctionnent comme des isolants thermiques et des refroidisseurs radiatifs. Dans cette démonstration, l’aérogel blanc isole la zone située en dessous de la chaleur environnante, tout en refroidissant la zone par rayonnement, comme le montre la température inférieure de la surface supérieure de l’aérogel par rapport à la température du bassin d’eau chaude. Crédit : National University of Singapore

Article : « Sub-ambient radiative cooling with thermally insulating polyethylene terephthalate aerogels recycled from plastic waste » – DOI: 10.1016/j.solener.2024.112544