À mesure que le monde se réchauffe, l'utilisation de systèmes de climatisation gourmands en énergie devrait augmenter considérablement, mettant à rude épreuve les réseaux électriques existants et contournant de nombreux endroits avec peu ou pas d'alimentation électrique fiable. Désormais, un système innovant développé au MIT offre un moyen d'utiliser le refroidissement passif pour préserver les cultures vivrières et compléter les climatiseurs conventionnels dans les bâtiments, sans avoir besoin d'électricité et seulement un petit besoin d'eau.

Le système, qui combine le refroidissement radiatif, le refroidissement par évaporation et l'isolation thermique dans un boîtier mince qui pourrait ressembler à des panneaux solaires existants, peut fournir jusqu'à environ 19 degrés Fahrenheit (9,3 degrés Celsius) de refroidissement à partir de la température ambiante, suffisamment pour permettre des aliments sûrs. stockage pendant environ 40 pour cent plus longtemps dans des conditions très humides. Cela pourrait tripler la durée de stockage en toute sécurité dans des conditions plus sèches.

Les résultats sont rapportés dans la revue Cell Reports Physical Science , dans un article du postdoctorant du MIT Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, professeurs Jeffrey Grossman et Evelyn Wang, et deux autres. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour réduire le coût d'un composant clé du système, les chercheurs affirment qu'un tel système pourrait éventuellement jouer un rôle important pour répondre aux besoins de refroidissement de nombreuses régions du monde où un manque d'électricité ou l'eau limite l'utilisation des systèmes de refroidissement conventionnels.

Le système combine intelligemment les conceptions de refroidissement autonomes précédentes qui fournissent chacune des quantités limitées de puissance de refroidissement, afin de produire globalement beaucoup plus de refroidissement, suffisamment pour aider à réduire les pertes de nourriture dues à la détérioration dans les régions du monde qui souffrent déjà d'un approvisionnement alimentaire limité. En reconnaissance de ce potentiel, l'équipe de recherche a été en partie soutenue par le laboratoire Abdul Latif Jameel Water and Food Systems du MIT.

"Cette technologie combine certaines des bonnes caractéristiques des technologies précédentes telles que le refroidissement par évaporation et le refroidissement radiatif", a déclaré Lu. En utilisant cette combinaison, dit-il, "nous montrons que vous pouvez obtenir une prolongation significative de la durée de vie des aliments, même dans les zones où l'humidité est élevée", ce qui limite les capacités des systèmes de refroidissement par évaporation ou radiatif conventionnels.

Dans les endroits qui ont des systèmes de climatisation existants dans les bâtiments, le nouveau système pourrait être utilisé pour réduire considérablement la charge sur ces systèmes en envoyant de l'eau froide à la partie la plus chaude du système, le condenseur. "En abaissant la température du condenseur, vous pouvez augmenter efficacement l'efficacité du climatiseur, ce qui vous permet potentiellement d'économiser de l'énergie", déclare Lu.

D'autres groupes ont également recherché des technologies de refroidissement passif, dit-il, mais "en combinant ces caractéristiques de manière synergique, nous sommes maintenant en mesure d'atteindre des performances de refroidissement élevées, même dans les zones à forte humidité où la technologie précédente ne peut généralement pas bien fonctionner."

Le système se compose de trois couches de matériau qui, ensemble, assurent le refroidissement lorsque l'eau et la chaleur traversent l'appareil. En pratique, le dispositif pourrait ressembler à un panneau solaire classique, mais au lieu de fournir de l'électricité, il assurerait directement le refroidissement, par exemple en faisant office de toit d'un conteneur de stockage de nourriture. Ou, il pourrait être utilisé pour envoyer de l'eau réfrigérée à travers des tuyaux pour refroidir des parties d'un système de climatisation existant et améliorer son efficacité. Le seul entretien requis consiste à ajouter de l'eau pour l'évaporation, mais la consommation est si faible que cela ne doit être fait qu'environ une fois tous les quatre jours dans les zones les plus chaudes et les plus sèches, et une seule fois par mois dans les zones les plus humides.

La couche supérieure est un aérogel, un matériau composé principalement d'air enfermé dans les cavités d'une structure en forme d'éponge en polyéthylène. Le matériau est hautement isolant mais laisse passer librement la vapeur d'eau et le rayonnement infrarouge. L'évaporation de l'eau (s'élevant de la couche inférieure) fournit une partie de la puissance de refroidissement, tandis que le rayonnement infrarouge, profitant de l'extrême transparence de l'atmosphère terrestre à ces longueurs d'onde, rayonne une partie de la chaleur directement dans l'air et dans l'espace. — contrairement aux climatiseurs, qui projettent de l'air chaud dans l'environnement immédiat.

Sous l'aérogel se trouve une couche d'hydrogel - un autre matériau semblable à une éponge, mais dont les pores sont remplis d'eau plutôt que d'air. Il est similaire au matériau actuellement utilisé dans le commerce pour des produits tels que des tampons de refroidissement ou des pansements. Cela fournit la source d'eau pour le refroidissement par évaporation, car la vapeur d'eau se forme à sa surface et la vapeur passe à travers la couche d'aérogel et dans l'environnement.

En dessous, une couche semblable à un miroir reflète toute lumière solaire entrante qui l'atteint, la renvoyant à travers l'appareil plutôt que de la laisser chauffer les matériaux et ainsi réduire leur charge thermique. Et la couche supérieure d'aérogel, étant un bon isolant, est également très réfléchissante solaire, limitant la quantité de chauffage solaire de l'appareil, même sous une forte lumière directe du soleil.

"La nouveauté ici consiste vraiment à réunir la fonction de refroidissement radiatif, la fonction de refroidissement par évaporation et également la fonction d'isolation thermique dans une seule architecture", explique Lu. Le système a été testé, en utilisant une petite version, à seulement 4 pouces de diamètre, sur le toit d'un bâtiment du MIT, prouvant son efficacité même dans des conditions météorologiques sous-optimales, dit Lu, et atteignant 9,3 C de refroidissement (18,7 F).

"Le défi était auparavant que les matériaux évaporatifs ne gèrent souvent pas bien l'absorption solaire", explique Lu. "Avec ces autres matériaux, généralement lorsqu'ils sont sous le soleil, ils sont chauffés, de sorte qu'ils ne peuvent pas atteindre une puissance de refroidissement élevée à température ambiante."

Les propriétés du matériau aérogel sont essentielles à l'efficacité globale du système, mais ce matériau est actuellement coûteux à produire, car il nécessite un équipement spécial pour le séchage au point critique (CPD) pour éliminer lentement les solvants de la structure poreuse délicate sans l'endommager. La caractéristique clé qui doit être contrôlée pour fournir les caractéristiques souhaitées est la taille des pores de l'aérogel, qui est obtenue en mélangeant le polyéthylène avec des solvants, en lui permettant de durcir comme un bol de Jell-O, puis en obtenant le solvants hors de lui. L'équipe de recherche explore actuellement des moyens de rendre ce processus de séchage moins coûteux, par exemple en utilisant la lyophilisation, ou de trouver des matériaux alternatifs pouvant assurer la même fonction isolante à moindre coût, comme des membranes séparées par un espace d'air.

Alors que les autres matériaux utilisés dans le système sont facilement disponibles et relativement peu coûteux, dit Lu, "l'aérogel est le seul matériau qui est un produit du laboratoire qui nécessite un développement supplémentaire en termes de production de masse". Et il est impossible de prédire combien de temps ce développement pourrait prendre avant que ce système puisse être rendu pratique pour une utilisation généralisée, dit-il.

L'équipe de recherche comprenait Lenan Zhang du Département de génie mécanique du MIT et Jatin Patil du Département de science et génie des matériaux. + Explorer plus loin

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