Pour lutter contre la chaleur estivale, les immeubles de bureaux et résidentiels ont tendance à augmenter la climatisation, faire grimper les factures d'énergie. En effet, on estime que les climatiseurs utilisent environ 6 pour cent de toute l'électricité produite aux États-Unis, à un coût annuel de 29 milliards de dollars, une dépense qui ne manquera pas d'augmenter à mesure que le thermostat mondial grimpera.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé un film anti-chaleur qui pourrait être appliqué aux fenêtres d'un bâtiment pour refléter jusqu'à 70 % de la chaleur entrante du soleil. Le film est capable de rester hautement transparent en dessous de 32 degrés Celsius, ou 89 degrés Fahrenheit. Au dessus de cette température, disent les chercheurs, le film agit comme un "système autonome" pour rejeter la chaleur. Ils estiment que si chaque fenêtre donnant sur l'extérieur d'un bâtiment était recouverte de ce film, les coûts de climatisation et d'énergie du bâtiment pourraient baisser de 10 %.

Le film est similaire à une pellicule plastique transparente, et ses propriétés de rejet de chaleur proviennent de minuscules microparticules intégrées à l'intérieur. Ces microparticules sont fabriquées à partir d'un type de matériau à changement de phase qui rétrécit lorsqu'il est exposé à des températures de 85 degrés Fahrenheit ou plus. Dans leurs configurations plus compactes, les microparticules donnent au film normalement transparent un aspect plus translucide ou givré.

Appliqué aux fenêtres en été, le film pourrait refroidir passivement un bâtiment tout en laissant entrer une bonne quantité de lumière. Nicolas Croc, professeur de génie mécanique au MIT, affirme que le matériau offre une alternative abordable et économe en énergie aux technologies de fenêtres intelligentes existantes.

« Les fenêtres intelligentes sur le marché actuellement ne sont pas très efficaces pour rejeter la chaleur du soleil, ou, comme certaines vitres électrochromes, ils peuvent avoir besoin de plus de puissance pour les conduire, vous paieriez donc pour rendre les fenêtres opaques, " dit Fang. " Nous avons pensé qu'il pourrait y avoir de la place pour de nouveaux matériaux et revêtements optiques, pour fournir de meilleures options de fenêtres intelligentes."

Fang et ses collègues, dont des chercheurs de l'Université de Hong Kong, ont publié leurs résultats dans la revue Joule .

"Une résille dans l'eau"

Il y a un peu plus d'un an, Fang a commencé à collaborer avec des chercheurs de l'Université de Hong Kong, qui souhaitaient trouver des moyens de réduire la consommation énergétique des bâtiments de la ville, surtout pendant les mois d'été, lorsque la région devient notoirement chaude et que l'utilisation de la climatisation est à son apogée.

« Relever ce défi est essentiel pour une région métropolitaine comme Hong Kong, lorsqu'ils sont soumis à un délai strict d'économies d'énergie, " dit Croc, faisant référence à l'engagement de Hong Kong à réduire sa consommation d'énergie de 40 % d'ici 2025.

Après quelques calculs rapides, Les étudiants de Fang ont découvert qu'une partie importante de la chaleur d'un bâtiment passe par les fenêtres, sous forme de soleil.

"Il s'avère que pour chaque mètre carré, environ 500 watts d'énergie sous forme de chaleur sont apportés par la lumière du soleil à travers une fenêtre, " Dit Fang. "Cela équivaut à environ cinq ampoules."

Croc, dont le groupe étudie les propriétés de diffusion de la lumière des exotiques, matériaux à changement de phase, s'est demandé si de tels matériaux optiques pouvaient être façonnés pour les fenêtres, pour refléter passivement une partie importante de la chaleur entrante d'un bâtiment.

Les chercheurs ont recherché dans la littérature des matériaux « thermochromes », des matériaux sensibles à la température qui changent temporairement de phase, ou couleur, en réponse à la chaleur. Ils ont finalement atterri sur un matériau composé de microparticules de chlorhydrate de poly (N-isopropylacrylamide)-2-Aminoethylmethacrylate. Ces microparticules ressemblent à de minuscules, transparent, sphères palmées de fibres et sont remplies d'eau. À des températures de 85 F ou plus, les sphères évacuent essentiellement toute leur eau et se rétrécissent en faisceaux serrés de fibres qui réfléchissent la lumière d'une manière différente, rendre le matériau translucide.

"C'est comme un filet de pêche dans l'eau, " dit Fang. " Chacune de ces fibres faisant le filet, par eux-mêmes, reflète une certaine quantité de lumière. Mais parce qu'il y a beaucoup d'eau incrustée dans la résille, chaque fibre est plus difficile à voir. Mais une fois que vous avez fait sortir l'eau, les fibres deviennent visibles."

Dans les expériences précédentes, d'autres groupes avaient découvert que si les particules rétrécies pouvaient relativement bien rejeter la lumière, ils réussissaient moins bien à se protéger de la chaleur. Fang et ses collègues ont réalisé que cette limitation se résumait à la taille des particules :les particules utilisées auparavant rétrécissaient jusqu'à un diamètre d'environ 100 nanomètres, plus petit que la longueur d'onde de la lumière infrarouge, ce qui permettait à la chaleur de passer facilement à travers.

Au lieu, Fang et ses collègues ont élargi la chaîne moléculaire de chaque microparticule, de sorte que lorsqu'il rétrécit en réponse à la chaleur, le diamètre de la particule était d'environ 500 nanomètres, qui, selon Fang, est "plus compatible avec le spectre infrarouge de la lumière solaire".

Une distinction de confort

Les chercheurs ont créé une solution de microparticules de protection thermique, qu'ils ont appliqués entre deux feuilles de verre de 12 x 12 pouces pour créer une fenêtre revêtue d'un film. Ils ont projeté la lumière d'un simulateur solaire sur la fenêtre pour imiter la lumière du soleil entrante, et a constaté que le film est devenu givré en réponse à la chaleur. Lorsqu'ils ont mesuré l'irradiance solaire transmise par l'autre côté de la fenêtre, les chercheurs ont découvert que le film était capable de rejeter 70 pour cent de la chaleur produite par la lampe.

L'équipe a également recouvert une petite chambre calorimétrique avec le film de rejet de chaleur et mesuré la température à l'intérieur de la chambre alors qu'ils brillaient la lumière d'un simulateur solaire à travers le film. Sans le cinéma, la température intérieure chauffée à environ 102 F—"environ la température d'une forte fièvre, " note Fang. Avec le film, la chambre intérieure est restée à une température plus tolérable de 93 F.

"C'est une grande différence, " dit Fang. " Vous pourriez faire une grande différence dans le confort. "

Aller de l'avant, l'équipe prévoit de procéder à d'autres tests du film pour voir si le fait de peaufiner sa formule et de l'appliquer d'autres manières pourrait améliorer ses propriétés de protection thermique.