Les chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle façon de refroidir par une chaude journée ensoleillée, utilisant des matériaux peu coûteux et ne nécessitant aucune énergie générée par des combustibles fossiles. Le système passif, qui pourrait être utilisé pour compléter d'autres systèmes de refroidissement pour conserver les aliments et les médicaments au chaud, emplacements hors réseau, est essentiellement une version high-tech d'un parasol.

Le système permet l'émission de chaleur dans l'infrarouge moyen de la lumière qui peut traverser directement l'atmosphère et rayonner dans le froid de l'espace extra-atmosphérique, perçant à travers les gaz qui agissent comme une serre. Pour éviter de chauffer à la lumière directe du soleil, une petite bande de métal suspendue au-dessus de l'appareil bloque les rayons directs du soleil.

Le nouveau système est décrit cette semaine dans la revue Communication Nature dans un article du chercheur Bikram Bhatia, étudiant diplômé Arny Leroy, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, professeur de physique Marin Soljacic, et six autres au MIT.

En théorie, le système qu'ils ont conçu pourrait fournir un refroidissement allant jusqu'à 20 degrés Celsius (36 degrés Fahrenheit) en dessous de la température ambiante dans un endroit comme Boston, disent les chercheurs. Jusque là, dans leurs premiers tests de validation de concept, ils ont atteint un refroidissement de 6 C (environ 11 F). Pour les applications qui nécessitent encore plus de refroidissement, le reste pourrait être réalisé par des systèmes de réfrigération conventionnels ou un refroidissement thermoélectrique.

D'autres groupes ont tenté de concevoir des systèmes de refroidissement passifs qui émettent de la chaleur sous la forme de longueurs d'onde lumineuses dans l'infrarouge moyen, mais ces systèmes ont été basés sur des dispositifs photoniques d'ingénierie complexes qui peuvent être coûteux à fabriquer et pas facilement disponibles pour une utilisation généralisée, disent les chercheurs. Les appareils sont complexes car ils sont conçus pour refléter presque parfaitement toutes les longueurs d'onde de la lumière solaire, et seulement pour émettre des rayonnements dans la gamme des infrarouges moyens, pour la plupart. Cette combinaison de réflectivité sélective et d'émissivité nécessite un matériau multicouche où les épaisseurs des couches sont contrôlées à une précision nanométrique.

Mais il s'avère qu'une sélectivité similaire peut être obtenue en bloquant simplement la lumière directe du soleil avec une bande étroite placée juste au bon angle pour couvrir la trajectoire du soleil dans le ciel, ne nécessitant aucun suivi actif par l'appareil. Puis, un dispositif simple construit à partir d'une combinaison de film plastique bon marché, aluminium poli, peinture blanche, et l'isolation peut permettre l'émission nécessaire de chaleur par rayonnement moyen infrarouge, c'est ainsi que la plupart des objets naturels se refroidissent, tout en évitant que l'appareil ne soit chauffé par la lumière directe du soleil. En réalité, des systèmes de refroidissement radiatifs simples ont été utilisés depuis l'Antiquité pour obtenir un refroidissement nocturne; le problème était que de tels systèmes ne fonctionnaient pas pendant la journée parce que l'effet de chauffage de la lumière du soleil était au moins 10 fois plus fort que l'effet de refroidissement maximum réalisable.

Mais les rayons chauffants du soleil se déplacent en ligne droite et sont facilement bloqués - comme nous l'expérimentons, par exemple, en marchant à l'ombre d'un arbre par une chaude journée. En ombrageant l'appareil en mettant essentiellement un parapluie dessus, et en complétant celle-ci par une isolation autour du dispositif pour le protéger de la température de l'air ambiant, les chercheurs ont rendu le refroidissement passif plus viable.

"Nous avons construit l'installation et fait des expériences en extérieur sur un toit du MIT, " dit Bhatia. " Cela a été fait avec des matériaux très simples " et a clairement montré l'efficacité du système.

"C'est un peu trompeusement simple, " dit Wang. " En ayant une nuance séparée et un émetteur dans l'atmosphère - deux composants séparés qui peuvent être relativement peu coûteux - le système ne nécessite pas de capacité spéciale pour émettre et absorber sélectivement. Nous utilisons la sélectivité angulaire pour permettre de bloquer le soleil direct, alors que nous continuons à émettre les longueurs d'onde caloporteuses vers le ciel."

Ce projet « nous a inspiré à repenser l'utilisation de « de l'ombre, '" dit Yichen Shen, un affilié de recherche et co-auteur de l'article. "Autrefois, les gens ont seulement pensé à l'utiliser pour réduire le chauffage. Mais maintenant, nous savons si l'ombre est utilisée intelligemment avec un certain filtrage de la lumière de soutien, il peut en fait être utilisé pour refroidir l'objet, " il dit.

Un facteur limitant pour le système est l'humidité dans l'atmosphère, Leroy dit, qui peut bloquer une partie de l'émission infrarouge dans l'air. Dans un endroit comme Boston, proche de l'océan et relativement humide, cela limite la quantité totale de refroidissement qui peut être obtenue, en le limitant à environ 20 degrés Celsius. Mais dans des environnements plus secs, comme le sud-ouest des États-Unis ou de nombreux environnements désertiques ou arides à travers le monde, le refroidissement maximal réalisable pourrait en fait être beaucoup plus important, fait-il remarquer, potentiellement jusqu'à 40 C (72 F).

Alors que la plupart des recherches sur le refroidissement radiatif se sont concentrées sur des systèmes plus grands qui pourraient être appliqués au refroidissement de pièces ou de bâtiments entiers, cette approche est plus localisée, Wang dit :"Ce serait utile pour les applications de réfrigération, comme le stockage des aliments ou les vaccins. protéger les vaccins et autres médicaments de la détérioration par temps chaud, les conditions tropicales ont été un défi permanent majeur que cette technologie pourrait être bien placée pour relever.

Même si le système n'était pas suffisant pour abaisser la température jusqu'aux niveaux nécessaires, "il pourrait au moins réduire les charges" sur les systèmes de réfrigération électrique, pour fournir juste le dernier peu de refroidissement, dit Wang.

Le système peut également être utile pour certains types de systèmes photovoltaïques concentrés, où les miroirs sont utilisés pour concentrer la lumière du soleil sur une cellule solaire pour augmenter son efficacité. Mais de tels systèmes peuvent facilement surchauffer et nécessitent généralement une gestion thermique active avec des fluides et des pompes. Au lieu, l'arrière de ces systèmes de concentration pourrait être équipé des surfaces émissives dans l'infrarouge moyen utilisées dans le système de refroidissement passif, et pourrait contrôler le chauffage sans aucune intervention active.

Alors qu'ils continuent de travailler à l'amélioration du système, le plus grand défi est de trouver des moyens d'améliorer l'isolation de l'appareil, pour éviter qu'il ne s'échauffe trop de l'air ambiant, tout en ne bloquant pas sa capacité à émettre de la chaleur. "Le principal défi est de trouver un matériau isolant qui serait transparent aux infrarouges, " dit Leroy.

L'équipe a déposé des brevets sur l'invention et espère pouvoir commencer à trouver des applications dans le monde réel assez rapidement.

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.