La climatisation, la réfrigération et d’autres technologies de refroidissement représentent plus de 20% de la consommation énergétique mondiale actuelle. De plus, les réfrigérants utilisés ont un potentiel de réchauffement global des milliers de fois supérieur à celui du dioxyde de carbone.
Le développement de réfrigérants à potentiel de réchauffement global nul est apparu comme l’un des domaines permettant de répondre aux préoccupations liées au changement climatique mondial. Diverses techniques de refroidissement calorique à haute efficacité répondent à cet objectif, mais leur mise à l’échelle pour obtenir des performances technologiquement significatives reste un défi.
Des scientifiques ont mis au point un système de refroidissement élastocalorique d’une puissance de refroidissement maximale de 260 watts et d’une plage de température maximale de 22,5 kelvins*. Ces valeurs sont parmi les plus élevées rapportées pour un système de refroidissement calorique.
Une étude récente parue dans la revue Science, dirigée par les professeurs en ingénierie de Maryland ( Ichiro Takeuchi, Reinhard Radermacher et Yunho Hwang ) a présenté un système de refroidissement élastocalorique performant qui pourrait représenter la prochaine génération de dispositifs de refroidissement.
Le Pr. Takeuchi le qualifie de « technologie de refroidissement entièrement différente, entièrement verte, respectueuse de l’environnement, qui contourne les réfrigérants chimiques pour se reposer essentiellement sur la pression et la traction de morceaux de métal pour créer un refroidissement« .
Les matériaux caloriques – y compris les matériaux magnétocaloriques, électrocaloriques et élastocaloriques – peuvent subir une transition de phase et libérer ou absorber de la chaleur lors de l’application de divers champs et forces mécaniques.
La caractéristique principale est la compression et la libération de tubes en nickel-titane (NiTi) résistants à la fatigue, configurés dans une architecture d’échange de chaleur polyvalente et multimode.
« Il y a plus d’une décennie, nous jouions simplement avec un fil de NiTi« , a déclaré Takeuchi. « En l’étirant, on pouvait obtenir un effet de refroidissement substantiel que l’on pouvait sentir à la main. C’est à ce moment-là que nous avons commencé à penser à appliquer le concept à un dispositif de refroidissement« .
L’équipe estime qu’il est possible d’améliorer suffisamment la performance de son système pour rendre la technologie commercialement viable dans quelques années.
Un prototype actuel peut produire une capacité de refroidissement de 200 watts, suffisante pour alimenter un petit réfrigérateur à vin, avec une volonté de s’étendre à des systèmes domestiques de refroidissement et de chauffage ainsi qu’à la ventilation et climatisation (CVC) commerciaux à terme.
Le système montre que le refroidissement élastocalorique – apparu il y a seulement 8 ans, est une voie prometteuse pour la commercialisation du refroidissement calorique.
Le refroidissement élastocalorique
L’élastocalorique est une méthode de refroidissement qui exploite les propriétés thermiques de certains matériaux lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique, comme une pression ou une torsion.
Lorsqu’on applique une telle contrainte à un matériau élastocalorique, il se réchauffe, et lorsqu’on libère la contrainte, il se refroidit. Ce phénomène est également connu sous le nom d’effet barocalorique dans le cas des fluides.
Les systèmes de refroidissement élastocaloriques peuvent être plus efficaces et respectueux de l’environnement que les méthodes traditionnelles de refroidissement, qui dépendent souvent de gaz réfrigérants qui peuvent contribuer au réchauffement climatique. En revanche, les matériaux élastocaloriques sont généralement solides et recyclables, et ne libèrent pas de gaz à effet de serre lorsqu’ils sont utilisés. Cependant, le refroidissement élastocalorique est encore une technologie en développement, et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer son efficacité et sa fiabilité.
Le travail de recherches du laboratoire a été financé par le département de l’énergie des États-Unis pendant plus d’une décennie. Crédit image / Jiaqi Dai/Maryland Engineering
* Le Kelvin est l’unité de mesure de la température thermodynamique dans le système international d’unités (SI). Il est symbolisé par la lettre « K ». Le Kelvin est utilisé pour mesurer la température absolue, c’est-à-dire la température mesurée par rapport au zéro absolu, qui est la température la plus basse possible. Dans l’échelle Kelvin, le zéro absolu est fixé à 0 Kelvin (0 K). Contrairement à d’autres échelles de température, comme Celsius ou Fahrenheit, qui utilisent des valeurs négatives pour représenter des températures en dessous de zéro, l’échelle Kelvin ne comporte que des valeurs positives.
