Dessin schématique du matériau. Crédit :ICN2
Des chercheurs de l'ICN2 et de l'ICMM-CSIC ont mis au point un nouveau matériau capable d'en refroidir un autre en émettant un rayonnement infrarouge. Les résultats sont publiés dans Petit et devraient être utilisés dans des appareils où une augmentation de la température a des effets drastiques sur les performances, comme les panneaux solaires et les systèmes informatiques, entre autres applications.
La réfrigération est un enjeu central dans les sociétés actuelles :que ce soit dans un supermarché ou sur votre ordinateur personnel, la régulation de la température est nécessaire pour que les êtres humains soient à l'aise ou que les machines fonctionnent de manière fiable. Les systèmes de refroidissement représentent 15 % de la consommation énergétique mondiale et sont responsables de 10 % des émissions de gaz à effet de serre. On pourrait dire que le remède est pire que le mal, comme les gaz à effet de serre génèrent le réchauffement climatique, nécessitant ainsi encore plus de réfrigération.
Une issue à cette boucle a été trouvée par des chercheurs de l'Institut catalan de nanosciences et nanotechnologies (ICN2) en collaboration avec des chercheurs de l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). Membres du groupe Nanostructures phononiques et photoniques ICN2, dirigé par ICREA Prof. Dr. Clivia M. Sotomayor Torres, et le ICMM Photonic Crystals Group ont signalé un nouveau matériau bidimensionnel capable d'éliminer la chaleur, refroidir la surface dans laquelle il est placé sans consommation d'énergie ni émission de gaz d'aucune sorte. L'ouvrage a été publié dans Petit , avec le Dr Juliana Jaramillo-Fernández, qui est chercheuse postdoctorale Marie Slodowska-Curie COFUND à l'ICN2, comme son premier auteur.
Le matériau s'inspire du mécanisme efficace de régulation de la température de la Terre, nommé refroidissement radiatif du ciel. Bien que la Terre soit chauffée par le Soleil, il émet également un rayonnement infrarouge vers l'espace extra-atmosphérique, car ce type de rayonnement n'est pas capté par l'atmosphère. Les grains de sable dans les déserts sont parmi les principaux contributeurs à ce phénomène, qui maintient la température moyenne de notre planète stable tant que nous ne considérons pas les activités humaines.
Image de microscopie électronique du matériau. Crédit :ICN2
Le matériel proposé profite du même principe. Les chercheurs ont montré qu'il est capable de refroidir une plaquette de silicium sous irradiation directe du soleil de 14 ºC, alors qu'un verre sodocalcique ordinaire ne l'abaisse que de 5 ºC. Le matériau est formé d'un réseau auto-assemblé de sphères de silice de 8 µm de diamètre, comme des grains de sable un million de fois plus petits en volume. Cette couche se comporte presque comme un émetteur infrarouge idéal, fournissant une puissance de refroidissement radiative jusqu'à 350 W/m 2 pour une surface chaude, comme un panneau solaire.
Pour mettre cela en contexte, cela éliminerait la moitié de la chaleur accumulée dans un panneau solaire typique par temps clair ordinaire, ce qui est suffisant pour augmenter le rendement relatif d'une cellule solaire de 8%. Compte tenu de la production mondiale d'énergie solaire en 2017, une telle augmentation d'efficacité représente assez d'énergie pour alimenter la ville de Paris pendant une année entière.
Les chercheurs ont découvert le potentiel de refroidissement radiatif du ciel des cristaux auto-assemblés, montrant qu'une seule couche de microsphères est nécessaire pour obtenir les meilleures performances de refroidissement, ce qui est d'un grand intérêt pour la mise à l'échelle et l'applicabilité futures. Cela contraste fortement avec les matériaux de refroidissement radiatifs de pointe actuels, puisqu'il est six fois plus fin que les films verre-polymère existants et qu'il évite l'utilisation de matières plastiques.
L'impact potentiel de ce type de technologies n'est pas passé inaperçu. Dr Juliana Jaramillo, Dr Achille Francone et Dr Nikolaos Kehagias, du groupe ICN2 précité, ont également développé un autre matériau facilement évolutif et capable de fournir à la fois un refroidissement radiatif et un autonettoyant. Le collisionneur, un programme de transfert de technologie promu par Mobile World Capital Barcelona qui relie la recherche scientifique à l'initiative entrepreneuriale, a décerné à ce projet le Collider Tech Award 2019, un prix qui encourage le développement de cette ligne de recherche sur les matériaux de refroidissement radiatif. Un brevet européen protégeant les droits de propriété intellectuelle de cette technologie a été déposé le 31 juillet 2019 par l'ICN2 et l'ICREA.
En dehors de l'utilisation sur des panneaux solaires, d'autres applications envisageables incluent la réfrigération des modules thermoélectriques — dispositifs qui convertissent les différences de température en courant électrique —, refroidissement des systèmes informatiques dans les centres de données ou même des fenêtres intelligentes qui se rafraîchiraient et leur environnement, économiser sur les coûts de climatisation.
