Appareils thermoélectriques, qui peut générer de l'énergie lorsqu'un côté de l'appareil est à une température différente de l'autre, ont fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années. Maintenant, une équipe du MIT a mis au point un nouveau moyen de convertir les fluctuations de température en énergie électrique. Au lieu de nécessiter deux entrées de température différentes en même temps, le nouveau système tire parti des fluctuations de la température ambiante qui se produisent pendant le cycle jour-nuit.

Le nouveau système, appelé résonateur thermique, pourrait permettre en continu, des années d'exploitation des systèmes de télédétection, par exemple, sans nécessiter d'autres sources d'alimentation ou batteries, disent les chercheurs.

Les résultats sont rapportés dans le journal Communication Nature , dans un article de l'étudiant diplômé Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs Professeur de génie chimique Michael Strano, et sept autres au Département de génie chimique du MIT.

"Nous avons essentiellement inventé ce concept de toutes pièces, " dit Strano. "Nous avons construit le premier résonateur thermique. C'est quelque chose qui peut s'asseoir sur un bureau et générer de l'énergie à partir de ce qui semble n'être rien. Nous sommes constamment entourés de fluctuations de température de toutes les fréquences différentes. C'est une source d'énergie inexploitée."

Alors que les niveaux de puissance générés par le nouveau système jusqu'à présent sont modestes, l'avantage du résonateur thermique est qu'il n'a pas besoin d'ensoleillement direct; il génère de l'énergie à partir des changements de température ambiante, même à l'ombre. Cela signifie qu'il n'est pas affecté par les changements à court terme de la couverture nuageuse, conditions de vent, ou d'autres conditions environnementales, et peut être placé n'importe où, même sous un panneau solaire, dans l'ombre perpétuelle, où il pourrait même permettre au panneau solaire d'être plus efficace en évacuant la chaleur perdue, disent les chercheurs.

Il a été démontré que le résonateur thermique surpasse un résonateur de taille identique, matériau pyroélectrique commercial - une méthode établie pour convertir les fluctuations de température en électricité - par un facteur de plus de trois en termes de puissance par zone, selon Cottrill.

Les chercheurs ont réalisé que pour produire de l'électricité à partir de cycles de température, ils avaient besoin d'un matériau optimisé pour une caractéristique peu reconnue appelée effusivité thermique, une propriété qui décrit la facilité avec laquelle le matériau peut extraire la chaleur de son environnement ou la libérer. L'effusivité thermique combine les propriétés de conduction thermique (à quelle vitesse la chaleur peut se propager à travers un matériau) et de capacité thermique (combien de chaleur peut être stockée dans un volume donné de matériau). Dans la plupart des matériaux, si l'une de ces propriétés est élevée, l'autre a tendance à être faible. Céramique, par exemple, ont une capacité thermique élevée mais une faible conduction.

Pour contourner cela, l'équipe a créé une combinaison de matériaux soigneusement adaptée. La structure de base est une mousse métallique, en cuivre ou en nickel, qui est ensuite recouvert d'une couche de graphène pour fournir une conductivité thermique encore plus grande. Puis, la mousse est infusée d'une sorte de cire appelée octadécane, un matériau à changement de phase, qui change entre solide et liquide dans une plage particulière de températures choisie pour une application donnée.

Un échantillon du matériel fabriqué pour tester le concept a montré que, simplement en réponse à une différence de température de 10 degrés Celsius entre la nuit et le jour, le minuscule échantillon de matériau a produit 350 millivolts de potentiel et 1,3 milliwatt de puissance - assez pour alimenter simple, petits capteurs environnementaux ou systèmes de communication.

"Le matériau à changement de phase emmagasine la chaleur, " dit Cottrill, l'auteur principal de l'étude, "et le graphène vous donne une conduction très rapide" quand vient le temps d'utiliser cette chaleur pour produire un courant électrique.

Essentiellement, Strano explique, un côté de l'appareil capte la chaleur, qui rayonne ensuite lentement vers l'autre côté. Un côté est toujours en retard par rapport à l'autre lorsque le système essaie d'atteindre l'équilibre. Cette différence perpétuelle entre les deux côtés peut ensuite être récoltée grâce à des thermoélectriques conventionnels. La combinaison des trois matériaux—mousse métallique, graphène, et l'octadécane - en fait "le matériau à effusivité thermique le plus élevé dans la littérature à ce jour, " dit Strano.

Alors que les tests initiaux ont été effectués en utilisant le cycle quotidien de 24 heures de la température de l'air ambiant, le réglage des propriétés du matériau pourrait permettre de récolter d'autres types de cycles de température, tels que la chaleur du cycle marche-arrêt des moteurs dans un réfrigérateur, ou de machines dans des installations industrielles.

« Nous sommes entourés de variations et de fluctuations de température, mais ils n'ont pas été bien caractérisés dans l'environnement, " dit Strano. C'est en partie parce qu'il n'y avait aucun moyen connu de les exploiter.

D'autres approches ont été utilisées pour essayer de tirer de l'énergie des cycles thermiques, avec des dispositifs pyroélectriques, par exemple, mais le nouveau système est le premier qui peut être réglé pour répondre à des périodes spécifiques de variations de température, comme le cycle diurne, disent les chercheurs.

Ces variations de température sont « de l'énergie inexploitée, " dit Cottrill, et pourrait être une source d'énergie complémentaire dans un système hybride qui, en combinant plusieurs voies de production d'électricité, pourrait continuer à fonctionner même si des composants individuels tombaient en panne. La recherche a été en partie financée par une subvention de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah d'Arabie saoudite (KAUST), qui espère utiliser le système comme moyen d'alimenter des réseaux de capteurs qui surveillent les conditions dans les champs de forage pétrolier et gazier, par exemple.

"Ils veulent des sources d'énergie orthogonales, " dit Cottrill, c'est-à-dire ceux qui sont entièrement indépendants les uns des autres, tels que les générateurs à combustibles fossiles, panneaux solaires, et ce nouveau dispositif d'alimentation à cycle thermique. Ainsi, "si une partie échoue, " par exemple si des panneaux solaires sont laissés dans l'obscurité par une tempête de sable, "vous aurez ce mécanisme supplémentaire pour donner le pouvoir, même si c'est juste suffisant pour envoyer un message d'urgence."

De tels systèmes pourraient également fournir des sources d'énergie de faible puissance mais de longue durée pour les atterrisseurs ou les rovers explorant des endroits éloignés, y compris d'autres lunes et planètes, dit Volodymyr Koman, un post-doctorant du MIT et co-auteur de la nouvelle étude. Pour de telles utilisations, une grande partie du système pourrait être fabriquée à partir de matériaux locaux plutôt que d'avoir à être préfabriquée, il dit.