Imaginez un appareil qui peut s'asseoir dehors sous un soleil de plomb par temps clair, et sans utiliser d'énergie, refroidissez les choses de plus de 23 degrés Fahrenheit (13 degrés Celsius). Cela ressemble presque à de la magie, mais un nouveau système conçu par des chercheurs du MIT et du Chili peut faire exactement cela.

Le dispositif, qui n'a pas de pièces mobiles, fonctionne par un processus appelé refroidissement radiatif. Il bloque la lumière du soleil entrante pour éviter de le chauffer, et en même temps rayonne efficacement la lumière infrarouge - qui est essentiellement de la chaleur - qui passe directement dans le ciel et dans l'espace, refroidir l'appareil nettement en dessous de la température de l'air ambiant.

La clé du fonctionnement de ce simple, système peu coûteux est un type spécial d'isolation, constitué d'une mousse de polyéthylène appelée aérogel. Ce matériau léger, qui ressemble un peu à de la guimauve, bloque et réfléchit les rayons visibles du soleil afin qu'ils ne le traversent pas. Mais il est très transparent aux rayons infrarouges qui transportent la chaleur, leur permettant de passer librement vers l'extérieur.

Le nouveau système est décrit aujourd'hui dans un article de la revue Avancées scientifiques , par Arny Leroy, étudiant diplômé du MIT, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, et sept autres au MIT et à l'Université pontificale catholique du Chili.

Un tel système pourrait être utilisé, par exemple, comme moyen d'empêcher les légumes et les fruits de se gâter, doublant potentiellement le temps pendant lequel les produits pourraient rester frais, dans des endroits éloignés où une alimentation fiable pour la réfrigération n'est pas disponible, Leroy explique.

Minimiser le gain de chaleur

Le refroidissement radiatif est simplement le processus principal que la plupart des objets chauds utilisent pour se refroidir. Ils émettent un rayonnement infrarouge moyen, qui transporte l'énergie thermique de l'objet directement dans l'espace car l'air est très transparent à la lumière infrarouge.

Le nouvel appareil est basé sur un concept que Wang et d'autres ont démontré il y a un an, qui utilisait également le refroidissement radiatif mais employait une barrière physique, une étroite bande de métal, pour protéger l'appareil des rayons directs du soleil pour éviter qu'il ne chauffe. Cet appareil a fonctionné, mais il a fourni moins de la moitié de la puissance de refroidissement que le nouveau système atteint en raison de sa couche isolante très efficace.

"Le gros problème était l'isolation, " explique Leroy. Le plus gros apport de chaleur empêchant l'ancien appareil d'obtenir un refroidissement plus profond provenait de la chaleur de l'air ambiant. " Comment garder la surface froide tout en lui permettant de rayonner ? " s'est-il demandé. Le problème est que presque tous les matériaux isolants sont également très efficaces pour bloquer la lumière infrarouge et interféreraient ainsi avec l'effet de refroidissement radiatif.

Il y a eu beaucoup de recherches sur les moyens de minimiser les pertes de chaleur, dit Wang, qui est le professeur Gail E. Kendall de génie mécanique. Mais il s'agit d'un problème différent qui a reçu beaucoup moins d'attention :comment minimiser le gain de chaleur. "C'est un problème très difficile, " elle dit.

La solution est venue grâce au développement d'un nouveau type d'aérogel. Les aérogels sont des matériaux légers composés majoritairement d'air et offrant une très bonne isolation thermique, avec une structure composée de formations microscopiques ressemblant à de la mousse d'un certain matériau. La nouvelle idée de l'équipe était de fabriquer un aérogel en polyéthylène, le matériau utilisé dans de nombreux sacs en plastique. Le résultat est un doux, spongieux, un matériau blanc si léger qu'un volume donné ne pèse que 1/50 de l'eau.

La clé de son succès est que même s'il bloque plus de 90 pour cent de la lumière solaire entrante, protégeant ainsi la surface du dessous de l'échauffement, il est très transparent à la lumière infrarouge, permettant à environ 80 pour cent des rayons de chaleur de passer librement vers l'extérieur. "Nous étions très excités quand nous avons vu ce matériel, " dit Leroy.

Le résultat est qu'il peut considérablement refroidir une assiette, en un matériau tel que le métal ou la céramique, placé sous la couche isolante, qui est appelé émetteur. Cette plaque pourrait alors refroidir un récipient qui lui est connecté, ou du liquide froid traversant les serpentins à son contact, pour assurer le refroidissement des produits, de l'air ou de l'eau.

Mettre l'appareil à l'épreuve

Pour tester leurs prédictions de son efficacité, l'équipe et ses collaborateurs chiliens ont mis en place un dispositif de validation de principe dans le désert d'Atacama au Chili, dont certaines parties sont les terres les plus sèches de la Terre. Ils ne reçoivent pratiquement aucune pluie, encore, étant juste sur l'équateur, ils reçoivent une lumière du soleil fulgurante qui pourrait mettre l'appareil à l'épreuve. L'appareil a atteint un refroidissement de 13 degrés Celsius en plein soleil à midi solaire. Des tests similaires sur le campus du MIT à Cambridge, Massachusetts, atteint un peu moins de 10 degrés de refroidissement.

C'est assez de refroidissement pour faire une différence significative dans la conservation des produits dans des endroits éloignés, disent les chercheurs. En outre, il pourrait être utilisé pour fournir une étape initiale de refroidissement pour la réfrigération électrique, minimisant ainsi la charge sur ces systèmes pour leur permettre de fonctionner plus efficacement avec moins de puissance.

Théoriquement, un tel dispositif pourrait atteindre une réduction de température allant jusqu'à 50 C, disent les chercheurs, ils continuent donc à travailler sur des moyens d'optimiser davantage le système afin qu'il puisse être étendu à d'autres applications de refroidissement telles que la climatisation des bâtiments sans avoir besoin d'aucune source d'alimentation. Le refroidissement radiatif a déjà été intégré à certains systèmes de climatisation existants pour améliorer leur efficacité.

Déjà, bien que, ils ont atteint une plus grande quantité de refroidissement sous la lumière directe du soleil que tout autre passif, système radiatif autre que ceux qui utilisent un système de vide pour l'isolation - qui est très efficace mais aussi lourd, cher, et fragile.

Cette approche pourrait également être un ajout à faible coût à tout autre type de système de refroidissement, fournissant un refroidissement supplémentaire pour compléter un système plus conventionnel. "Quel que soit le système que vous avez, " Leroy dit, "mettez l'aérogel dessus, et vous obtiendrez de bien meilleures performances."

Pierre Bermel, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université Purdue, qui n'a pas participé à ce travail, dit, "Le principal avantage potentiel de l'aérogel de polyéthylène présenté ici peut être sa relative compacité et simplicité, par rapport à un certain nombre d'expériences antérieures."

Il ajoute, « Il pourrait être utile de comparer et de contraster quantitativement cette méthode avec certaines alternatives, tels que les films de polyéthylène et le blocage sélectif d'angle en termes de performances (par exemple, changement de température), Coût, et le poids par unité de surface. … L'avantage pratique pourrait être important si la comparaison était effectuée et que le compromis coût/bénéfice favorisait considérablement ces aérogels. »