Des chercheurs du MIT ont démontré une nouvelle façon de stocker la chaleur inutilisée des moteurs de voiture, machinerie industrielle, et même du soleil jusqu'à ce qu'il soit nécessaire. Au cœur de leur système se trouve ce que les chercheurs appellent un matériau à « changement de phase » qui absorbe une grande quantité de chaleur lorsqu'il fond et la libère lorsqu'il se resolidifie.

Une fois fondu et activé par la lumière ultraviolette, le matériau emmagasine la chaleur absorbée jusqu'à ce qu'un faisceau de lumière visible déclenche la solidification et le dégagement de chaleur. La clé de ce contrôle réside dans l'ajout de molécules qui réagissent à la lumière en changeant de forme d'une forme qui empêche la solidification à une autre qui la permet. Dans une expérience de preuve de concept, les chercheurs ont conservé un échantillon de mélange sous forme liquide jusqu'à la température ambiante, à 10 degrés Celsius en dessous de l'endroit où il aurait dû se solidifier, puis, après 10 heures, utilisé un faisceau lumineux pour déclencher la solidification et libérer l'énergie thermique stockée.

Plus de la moitié de toute l'énergie utilisée pour alimenter la mécanique, chimique, et d'autres processus sont expulsés dans l'environnement sous forme de chaleur. Centrales électriques, moteurs de voiture, et procédés industriels, par exemple, produisent de grandes quantités de chaleur, mais en utilisent une fraction relativement faible pour effectuer un travail. Et tandis que la lumière du soleil fournit une énergie rayonnante abondante, les appareils photovoltaïques d'aujourd'hui n'en convertissent qu'une fraction en électricité. Le reste est soit réfléchi, soit absorbé et converti en chaleur qui reste inutilisée.

Le défi consiste à trouver un moyen de stocker toute cette énergie thermique jusqu'à ce que nous voulions l'utiliser. Jeffrey Grossman, le professeur Morton et Claire Goulder and Family en systèmes environnementaux et professeur en science et ingénierie des matériaux, travaille sur ce problème depuis plus d'une décennie.

Un bon moyen de stocker l'énergie thermique consiste à utiliser un matériau à changement de phase (PCM) tel que la cire. Faites chauffer un morceau de cire solide, et il se réchauffera progressivement jusqu'à ce qu'il commence à fondre. Lors du passage de la phase solide à la phase liquide, il continuera à absorber la chaleur, mais sa température restera essentiellement constante. Une fois qu'il est complètement fondu, sa température recommencera à augmenter au fur et à mesure que la chaleur sera ajoutée. Vient ensuite l'avantage. Au fur et à mesure que la cire liquide refroidit, ça va se solidifier, et comme il le fait, il libérera toute cette chaleur de changement de phase stockée, également appelée chaleur latente.

Les PCM sont maintenant utilisés dans des applications telles que les concentrateurs solaires, systèmes de chauffage de bâtiment, et cuiseurs solaires pour les régions éloignées. Mais alors que les PCM peuvent dégager une chaleur abondante, il n'y a aucun moyen de contrôler exactement quand ils le font. Le moment dépend de la température de l'air qui les entoure.

"Vous pouvez charger une batterie, et il stockera l'électricité jusqu'à ce que vous vouliez l'utiliser, dire, dans votre téléphone portable ou votre voiture électrique, " dit Grossman. " Mais les gens doivent chauffer leur four solaire quand le soleil est là, et au moment où ils voudront préparer le dîner, il se peut bien qu'il ait libéré toute sa chaleur emmagasinée dans l'air frais du soir."

Les PCM se sont ainsi avérés un moyen très efficace de stocker l'énergie thermique, mais le récupérer de manière utile est resté un défi. "Ce dont nous avions besoin, c'était d'un déclencheur qui nous permettrait de contrôler le moment de la libération de chaleur, " dit Grossman.

Molécules qui peuvent déclencher

Il y a quelques années, Grossman a commencé à se demander s'il pouvait déjà avoir le déclencheur dont il avait besoin. Dans les travaux connexes, son groupe avait étudié le stockage de l'énergie dans des molécules spéciales connues sous le nom de photocommutateurs.

Faire briller une certaine longueur d'onde de lumière sur un photocommutateur, et sa forme changera. Les mêmes atomes sont présents, mais leur orientation l'une par rapport à l'autre change. De plus, ils resteront dans cette configuration décalée jusqu'à ce qu'ils soient exposés à une autre longueur d'onde de lumière. Ensuite, ils reprendront leur forme d'origine, libérant de l'énergie thermique dans le processus.

Le groupe Grossman a bien avancé dans la conception de photocommutateurs pour le stockage d'énergie, mais les molécules ont une limitation clé :elles ne peuvent être commutées dans leur configuration de stockage d'énergie que par la lumière. Par conséquent, ils ne peuvent pas être rechargés à l'aide de la chaleur résiduelle des voitures ou d'autres machines ou du soleil.

Ainsi, Grossman et les anciens post-doctorants Grace Han et Huashan Li du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux ont commencé à examiner la possibilité d'utiliser un photocommutateur d'une nouvelle manière, en tant que déclencheur pour contrôler la libération d'énergie d'un matériau à changement de phase.

« Nous pourrions adapter sa chimie pour qu'elle corresponde très bien au matériau à changement de phase lorsqu'il est sous une forme, mais quand on le change, ça ne correspond plus, " explique Grossman.

S'il est mélangé avec un PCM fondu sous la forme dépareillée, le photocommutateur l'empêcherait de devenir un solide, même en dessous de sa température de solidification normale. Faire briller une longueur d'onde de lumière différente pourrait ramener le photocommutateur à sa structure correspondante. Le PCM se solidifierait alors, libérant sa chaleur latente emmagasinée.

Tests de validation de principe

Pour explorer la viabilité de cette approche, les chercheurs ont utilisé un PCM conventionnel appelé acide tridécanoïque et ont préparé une variante spéciale de la molécule photocommutatrice azobenzène, qui se compose de deux cycles d'atomes liés qui peuvent être dans des positions différentes l'un par rapport à l'autre.

Sous la forme "trans" de la molécule, les anneaux sont plats - son état fondamental naturel. Sous sa forme "cis", l'un des anneaux benzéniques est incliné à 56 degrés par rapport à l'autre, disent les chercheurs. Il passe d'une forme à l'autre en réponse à la lumière. Faire briller la lumière ultraviolette (UV) sur la version plate, et ça va tourner. Faire briller la lumière visible sur la version torsadée, et ça va s'aplatir.

La figure 1 du diaporama ci-dessus montre ce que Grossman appelle le cycle de stockage et de libération d'énergie thermique et illustre le rôle joué par le photocommutateur azobenzène en tant que "dopant" à faible concentration (un matériau ajouté pour modifier les propriétés d'une substance). Lorsque le mélange PCM-azobenzène, ou composite, est solide avec l'azobenzène sous sa forme trans, les deux constituants s'assemblent étroitement. Lorsqu'il est chauffé, le composite absorbe de l'énergie thermique, et le PCM fond. Le zapper avec la lumière UV change le dopant azobenzène de trans à cis. Lorsque ce mélange refroidit, le cis azobenzène empêche la solidification du MCP, ainsi la chaleur latente reste stockée. L'éclairage à la lumière visible ramène l'azobenzène à sa forme trans. Le mélange peut maintenant se solidifier, libérant sa chaleur latente stockée dans le processus.

Une série de tests a montré que leur système fonctionnait bien. Le fait d'éclairer une lampe ultraviolette (à une longueur d'onde de 365 nanomètres) sur le mélange liquide a transformé la plupart des molécules de trans azobenzène de départ en leur forme cis. Une fois chargé, le mélange ne s'est pas solidifié même à température ambiante—complètement à 10 degrés Celsius en dessous de ce qu'il aurait sans les photocommutateurs chargés dans le mélange.

L'éclairage du liquide à la lumière visible (450 nm) pendant 30 secondes active la solidification et la libération de la chaleur latente stockée. De plus, pratiquement toute la chaleur latente s'est échappée — peu ou pas du tout avait été perdu par fuite. "Avec les interrupteurs ajoutés, l'énergie thermique est captée, " dit Grossman. " En conséquence, l'isolation lourde utilisée pour empêcher la chaleur de s'échapper des PCM conventionnels sera peut-être moins nécessaire."

Lorsque les chercheurs n'ont pas fait briller la lumière visible sur leur mélange, ils ont constaté qu'il restait un liquide à des températures inférieures à son point de solidification d'origine pendant 10 heures. Le mélange a ensuite progressivement commencé à se solidifier, dégageant sa chaleur emmagasinée.

Pour démontrer la durabilité et la répétabilité du système, les chercheurs l'ont fait basculer entre la charge et la décharge 100 fois sur plus de 50 heures. Au cours de l'étape de décharge initiale, la cristallinité du MCP a légèrement changé par rapport au matériau de départ, mais après ça, sa structure est restée inchangée.

D'autres tests ont confirmé l'importance de sélectionner ou de concevoir avec soin un photocommutateur qui interagit efficacement avec un PCM spécifique. De nouveau, le photocommutateur doit bien se mélanger avec le PCM liquide pour former le composite et doit changer, lorsqu'il est activé par la lumière, entre deux structures distinctes qui se mélangent ou interfèrent avec le tassement du MCP sélectionné. Les chercheurs ont également découvert qu'il est essentiel d'optimiser la concentration du photocommutateur dans le PCM. Quand il est trop bas, cela n'interférera pas avec la solidification. Quand il est trop haut, la lumière ultraviolette peut ne pas pénétrer complètement dans le mélange, et les molécules dopantes peuvent réagir entre elles, s'agglomérer plutôt que de bien se répartir et empêcher l'emballage PCM.

Les bases d'un appareil pratique

Grossman souligne que le travail jusqu'à présent est une preuve de principe. "Il y a beaucoup de travail à faire pour faire des applications basées sur ce concept, " il dit.

Mais les chercheurs envisagent le type de dispositif suivant :Le mélange serait conservé dans un récipient avec des fenêtres qui pourraient être couvertes pour contrôler l'apport de lumière. Un échangeur de chaleur fournirait de l'énergie thermique du soleil ou d'une autre source au composite PCM, et une LED séparée ou une lampe à décharge gazeuse enverrait simultanément de la lumière UV à travers les fenêtres découvertes pour charger le dopant azobenzène. Les fenêtres seraient alors couvertes pour permettre le stockage thermique, même lorsque le mélange est tombé à température ambiante.

Lorsqu'un dégagement de chaleur est souhaité, les fenêtres seraient découvertes, et le composite liquide serait exposé à la lumière ambiante ou à la lumière LED bleue pour une réponse plus rapide. Les fenêtres seraient en verre borosilicaté commun, qui transmettrait plus de 90 % de la lumière UV et visible pertinente, et un agitateur à l'intérieur du récipient aiderait à empêcher les molécules d'azobenzène de coller ensemble.

Cinéma, perles, et différents matériaux

Le groupe Grossman poursuit ses travaux pour appliquer et améliorer le concept de stockage thermique. Par exemple, ils examinent son utilisation possible comme nouveau système de dégivrage - un sujet d'intérêt continu pour Grossman, qui note que les voitures électriques d'aujourd'hui consomment tellement d'énergie de batterie pour le dégivrage et le chauffage que leur autonomie peut chuter de 30 % par temps froid. Une bien meilleure approche serait de stocker l'énergie thermique dans un film transparent et déclencher une explosion de chaleur lorsqu'il est nécessaire de faire fondre cette couche de glace gênante.

"Dans cet esprit, nous voulions voir si nous pouvions faire des films minces de notre matériau sur de plus grandes surfaces et lui faire présenter les mêmes comportements que nous avons vus dans nos échantillons de laboratoire, " dit Grossman. Ils ont déposé leur composite PCM liquide sur une feuille de verre, mettre une autre feuille dessus, et l'a scellé. Ils ont découvert qu'ils pouvaient charger le mélange avec de la lumière UV, puis le décharger plus tard avec de la lumière visible, récupérer l'énergie de changement de phase stockée sous forme de chaleur. De plus, ils pouvaient le faire sélectivement pour qu'une partie du film se solidifie et que le reste reste liquide.

D'autres travaux portent sur la conception d'un cuiseur solaire capable de stocker la chaleur après le coucher du soleil plus longtemps que les 10 minutes typiques des meilleurs modèles d'aujourd'hui, qui reposent toujours sur des PCM conventionnels pour le stockage. Un composite PCM pourrait mieux faire, à l'exception d'un inconvénient :en passant du solide au liquide, il change également de volume, suffisamment pour endommager le conteneur.

Pour éviter ce comportement, Cédric Viry, un étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux et membre du Tata Center for Technology and Design, travaille à encapsuler le composite à l'intérieur de minuscules billes avec des coques en silice ou en carbonate de calcium. Le composite confiné subira les changements de phase nécessaires, mais la coque solide limitera le changement de volume massif qui se produit dans un mélange non confiné. Les billes encapsulées pourraient être suspendues dans d'autres liquides, et de meilleures méthodes d'apport de lumière dans les matériaux pourraient être possibles. « Une fois que la micro-encapsulation fonctionne, il y aura beaucoup plus d'applications, " dit Grossman.

Finalement, les chercheurs étendent leur concept à différents matériaux et plages de température. « Nous avons compris certains aspects techniques intéressants et importants du fonctionnement du système, " dit Grossman. " En particulier, comment les PCM et les photocommutateurs interagissent au niveau moléculaire."

Cette compréhension fondamentale leur a déjà permis de développer des systèmes utilisant des MCP avec différentes structures moléculaires, notamment, avec des chaînes plutôt que des anneaux d'atomes, ainsi que des photocommutateurs optimisés pour chacun. À l'avenir, Grossman pense qu'ils devraient être en mesure de développer des systèmes qui peuvent stocker plus d'énergie thermique et peuvent fonctionner à une variété de plages de température, y compris les basses températures d'intérêt pour les applications biomédicales et électroniques.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.