Un solide peut servir de support pour les interactions entre la chaleur et les ondes sonores, tout comme un fluide le fait pour les moteurs thermoacoustiques et les réfrigérateurs, ce qui permet d'obtenir des machines sans fuite qui peuvent fonctionner plus longtemps.

Les systèmes qui fuient ont limité la façon dont les ingénieurs conçoivent des dispositifs thermoacoustiques qui reposent sur l'interaction entre les oscillations de température et les ondes sonores. Des chercheurs de Purdue et de l'Université de Notre Dame ont démontré pour la première fois que la thermoacoustique pouvait théoriquement se produire dans les solides aussi bien que dans les fluides, ont récemment présenté leurs conclusions à la 175e réunion de l'Acoustical Society of America.

« Bien qu'encore à ses balbutiements, cette technologie pourrait être particulièrement efficace dans des environnements difficiles, comme l'espace extra-atmosphérique, où de fortes variations de température sont librement disponibles et lorsque des défaillances du système mettraient en danger l'ensemble de la mission, " a déclaré Fabio Semperlotti, Purdue professeur adjoint de génie mécanique.

La thermoacoustique est un phénomène établi et bien étudié dans les fluides, qu'ils soient gazeux ou liquides, depuis des siècles. "Appliquer de la chaleur à un fluide enfermé dans un conduit ou une cavité provoquera la génération spontanée d'ondes sonores se propageant dans le fluide lui-même, " dit Carlo Scalo, professeur adjoint de génie mécanique à Purdue. "Cela se traduit par ce qu'on appelle des tuyaux chantants, ou des machines thermoacoustiques."

Alors que les fluides ont été historiquement utilisés pour ces systèmes, l'étape supplémentaire consistant à construire quelque chose pour contenir les fluides et empêcher les fuites est lourde. Cela a conduit les chercheurs à considérer les solides comme substitut.

"Les propriétés des solides sont plus contrôlables, ce qui pourrait les rendre potentiellement mieux adaptés à ces applications que les fluides. Il nous fallait d'abord vérifier que ce phénomène pouvait théoriquement exister dans les milieux solides, " a déclaré l'Haïtien Hao, Assistant de recherche diplômé Purdue en génie mécanique.

La thermoacoustique permet de convertir la chaleur perdue ou les vibrations mécaniques en d'autres formes d'énergie utiles. Pour les réfrigérateurs, les ondes sonores génèrent un gradient de température de chaud et de froid. Le mouvement de vibration rend les zones froides plus froides et les zones chaudes plus chaudes.

Les moteurs utilisent un processus inverse :un gradient de température fourni par la chaleur perdue entraîne des vibrations mécaniques.

La thermoacoustique à l'état solide semblait initialement peu probable, puisque les solides sont un peu plus "stables" que les fluides et ont tendance à dissiper l'énergie mécanique plus facilement, rendant plus difficile pour la chaleur de générer des ondes sonores.

Les chercheurs ont développé un modèle théorique démontrant qu'une tige métallique mince peut présenter des vibrations mécaniques auto-entretenues si un gradient de température est périodiquement appliqué aux segments de la tige. Cette dissipation d'énergie mécanique indésirable a équilibré et a montré que, comme les fluides, les solides se contractent lorsqu'ils se refroidissent et se dilatent lorsqu'ils se réchauffent. Si le solide se contracte moins lorsqu'il est refroidi et se dilate davantage lorsqu'il est chauffé, le mouvement résultant augmentera avec le temps.

Les solides peuvent également être conçus pour obtenir les propriétés nécessaires pour obtenir des performances thermoacoustiques élevées. "Les fluides ne nous le permettent pas, " a déclaré Semperlotti.

Des différences de température extrêmes dans l'espace seraient parfaites pour générer des vibrations mécaniques qui sont ensuite converties en énergie électrique sur les engins spatiaux.

"Un appareil à semi-conducteurs utiliserait le soleil comme source de chaleur et le rayonnement vers l'espace lointain comme source froide, " a déclaré Semperlotti. " Ces systèmes pourraient fonctionner indéfiniment, étant donné qu'ils n'ont aucune pièce en mouvement ou fluide qui pourrait s'échapper."

Les chercheurs doivent encore compléter une configuration expérimentale pour valider cette idée de conception et mieux comprendre la thermoacoustique des solides telle que découverte grâce à des calculs mathématiques et à la modélisation.

"Les applications possibles et les performances de ces appareils sont encore du domaine de la pure spéculation à ce stade, ", a déclaré Semperlotti. "Mais le phénomène existe et il a le potentiel d'ouvrir des directions remarquables pour la conception de dispositifs thermoacoustiques."