Alors que les températures montent en flèche, les climatiseurs s'allument. Le refroidissement consomme beaucoup d'énergie, ce qui met à rude épreuve les réseaux électriques et augmente les émissions dans les pays encore tributaires des combustibles fossiles.

Près de 20 % de l'électricité consommée dans le monde est utilisée pour le refroidissement des bâtiments. Sans contrôle, ce nombre pourrait tripler d'ici 2035. Une solution :développer des technologies pour rendre le refroidissement plus efficace.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) développent une technologie de refroidissement alternative qui utilise l'adsorption (avec un « d »)—la fixation et la libération de composés réfrigérants par un matériau adsorbant. A la recherche de divers matériaux nanoporeux comme adsorbants, les chercheurs se sont tournés vers les polymères organiques covalents (COP). Les COP peuvent adsorber trois fois plus de réfrigérant que les meilleures alternatives disponibles, résultant en un refroidissement plus efficace.

Mais l'histoire sur la façon dont cette découverte récente est arrivée est un peu inattendue. De petits défauts dans le matériau ont augmenté l'adsorption de manière parfaitement imparfaite.

« C'était inhabituel, vous savez ? Nous savions qu'il se passait quelque chose d'inexpliqué avec nos résultats, mais je ne savais pas exactement pourquoi, " dit Radha Motkuri, un ingénieur chimiste du PNNL qui a dirigé l'étude, qui a été sélectionné comme un article HOT et dans le top 10 % des publications dans Angewandte Chemie .

Refroidissement plus efficace… par accident

Certaines des grandes découvertes mondiales ont été faites par accident, comme le nylon, l'invention des micro-ondes, ou même du verre incassable. En cas de refroidissement, quelques petits problèmes ont conduit à de grandes idées.

Au cours de la dernière décennie, Pete McGrail, un Fellow du Laboratoire PNNL, et Motkuri, avec leur équipe, ont étudié des matériaux plus efficaces pour adsorber les réfrigérants courants utilisés dans leur technologie de refroidissement par adsorption. Ils ont fait de grands progrès dans la conception de différents types de matériaux poreux qui hébergent des réfrigérants. Mais ils pensaient qu'il pourrait y avoir un potentiel inexploré dans d'autres matériaux nanoporeux, y compris les COP.

« Alors que les problèmes climatiques continuent de croître, trouver des moyens de réduire la consommation d'énergie, comme par un refroidissement alternatif et plus efficace, est un must absolu, " a déclaré McGrail. " Cette recherche s'appuie sur notre technologie de refroidissement primée R&D 100 Award 2017. "

Les polymères sont utilisés dans tous les domaines, des shampooings aux combinaisons spatiales. Ils peuvent être combinés avec d'autres éléments pour servir à des fins différentes - lorsqu'ils sont combinés avec du carbone, par exemple, ils peuvent être transformés en polyester et en nylon.

L'équipe a testé 23 COP différents pour voir leur potentiel de refroidissement ou de réfrigération par adsorption. Le plus plafonné avec de faibles capacités d'adsorption, ce qui signifie qu'ils ne pouvaient plus adsorber et étaient au maximum. Mais, deux ne l'ont pas fait - l'adsorption a augmenté. Et a continué à grimper.

« Nous avons pensé que quelque chose n'allait pas avec l'instrument lorsque nous avons testé les capacités d'adsorption. Les taux étaient bien plus élevés que prévu, " dit Motkuri.

Donc, ils ont réessayé. Ils ont obtenu les mêmes résultats. Deux composés, appelé COP-2 et COP-3, avait des capacités d'adsorption vertigineuses. Ils étaient si élevés que c'était au-delà de ce que les chercheurs attendaient. Donc, Motkuri a contacté un collaborateur en France, Guillaume Maurin à l'Université de Montpellier, avec une expertise en simulations moléculaires pour prédire l'adsorption de ces deux polymères.

Comme un moulant, COP-2 et COP-3 sont des anneaux chimiques de carbone et d'azote, tous empilés ensemble. Ils ont dû déballer chaque couche pour voir comment cela affectait l'adsorption.

Bizarrement, les modèles de structure COP-2 et COP-3 simulés n'ont pas conduit aux niveaux d'adsorption qu'ils ont vus sur la paillasse du laboratoire. Dans les simulations, l'adsorption plafonne. Dans le laboratoire, cependant, il a grimpé de façon exponentielle.

"C'est à ce moment-là que nous avons réalisé que quelque chose d'autre se passait, " dit Motkuri. " Et, notre équipe a eu une idée." Sur la base de travaux antérieurs, les chercheurs savaient que les petits défauts jouent un rôle intéressant dans l'adsorption. « Et si nous ajoutions des défauts à ces modèles de structure COP dans la simulation ? »

Des défauts tout sauf défectueux

Maurin et son équipe ont utilisé des simulations pour créer de petits trous, ou défauts, dans le matériau en supprimant certaines des caractéristiques chimiques des anneaux.

"C'est alors que nous avons vu quelque chose de magique se produire, " dit Motkuri. L'adsorption a augmenté, et l'adsorption des polymères hautement défectueux correspondait aux résultats du laboratoire.

Ils ont constaté que les défauts stratégiques améliorent l'adsorption dans les COP, ce qui expliquait les taux accrus qu'ils ont constatés en laboratoire.

« Deux des COP que nous testions en laboratoire présentaient des défauts au départ, " dit Maurin. " Parfois les choses s'arrangent, même quand c'est un peu inattendu."

Pourquoi un refroidissement efficace est-il si important pour le climat ?

Le refroidissement n'est pas seulement pour le confort par une chaude journée d'été. La chaleur extrême est un danger mortel pour la santé. Avec la hausse des températures mondiales, certaines régions peuplées pourraient devenir trop chaudes pour être habitables certaines parties de l'année.

En outre, les futures demandes d'électricité devraient augmenter, et la climatisation demande déjà beaucoup d'énergie. En 2019, 8,5% de la consommation d'électricité aux États-Unis provenait des climatiseurs, selon l'Agence internationale de l'énergie. À l'échelle mondiale, les réseaux électriques peuvent être débordés à mesure que le nombre de systèmes de refroidissement augmente, les populations augmentent, et les revenus augmentent, permettre à plus de gens d'acheter des climatiseurs.

Cela devient particulièrement important dans les zones où l'énergie ne provient pas de sources vertes. La climatisation devrait augmenter considérablement dans les pays où elle est actuellement moins courante, comme l'Indonésie ou l'Inde.

Les climatiseurs haute performance pourraient réduire de moitié la demande d'énergie pour le refroidissement. Développer des technologies dans la recherche d'un refroidissement plus efficace est un objectif clé, d'autant plus que l'énergie nécessaire au refroidissement devrait tripler au cours des trois prochaines décennies. Le développement technologique pour un refroidissement plus efficace peut aider à atténuer les défis dans un monde qui se réchauffe rapidement.