Comme le savent tous ceux qui ont déjà garé leur voiture au soleil par une chaude journée d'été, les fenêtres en verre sont excellentes pour laisser entrer la lumière du soleil, mais très mauvaises pour laisser sortir la chaleur. Des ingénieurs de l'université de Duke ont mis au point une technologie de fenêtre intelligente qui, en appuyant sur un interrupteur, peut alterner entre la récupération de la chaleur du soleil et le refroidissement d'un objet. Cette approche pourrait permettre de réaliser des économies en matière de chauffage, de ventilation et de climatisation, en réduisant potentiellement la consommation d'énergie de près de 20 % rien qu'aux États-Unis. La technologie électrochrome - matériau qui change de couleur ou d'opacité lorsqu'on lui applique de l'électricité - est détaillée dans un article intitulé "Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management" publié dans la revue American Chemical Society Energy Letters.
"Nous avons démontré le tout premier dispositif électrochrome capable de passer du chauffage solaire au refroidissement radiatif", a déclaré Po-Chun Hsu, professeur adjoint d'ingénierie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Notre méthode de réglage électrochromique ne comporte aucune pièce mobile et peut être réglée en continu."
Les fenêtres intelligentes en verre électrochrome sont une technologie relativement nouvelle qui utilise une réaction électrochrome pour faire passer le verre de transparent à opaque et inversement en un clin d'œil. S'il existe de nombreuses approches pour créer ce phénomène, elles impliquent toutes de prendre en sandwich un matériau sensible à l'électricité entre deux fines couches d'électrodes et de faire passer un courant électrique entre elles. Si cette astuce est déjà difficile à réaliser pour la lumière visible, elle l'est encore plus lorsqu'il faut prendre en compte la lumière infrarouge moyenne (chaleur radiative).
Dans cet article, M. Hsu et son étudiant diplômé Chenxi Sui font la démonstration d'un dispositif mince qui interagit avec les deux spectres de la lumière tout en passant du mode chauffage passif au mode refroidissement. En mode chauffage, le dispositif s'assombrit pour absorber la lumière du soleil et empêcher la lumière infrarouge moyenne de s'échapper. En mode refroidissement, la couche sombre semblable à une fenêtre s'efface, révélant simultanément un miroir qui reflète la lumière du soleil et permet à la lumière infrarouge moyenne provenant de l'arrière du dispositif de se dissiper. Comme le miroir n'est jamais transparent à la lumière visible, le dispositif ne remplacerait pas les fenêtres des maisons ou des bureaux, mais il pourrait être utilisé sur d'autres surfaces de bâtiments.
"Il est très difficile de créer des matériaux qui peuvent fonctionner dans ces deux régimes", a déclaré Hsu. "Notre dispositif possède l'une des plus grandes plages de réglage du rayonnement thermique jamais démontrées." Il y avait deux défis majeurs à relever pour concevoir un tel dispositif.
Le premier consistait à créer des couches d'électrodes conductrices d'électricité et transparentes à la lumière visible et au rayonnement thermique. La plupart des matériaux conducteurs, tels que les métaux, le graphite et certains oxydes, ne conviennent pas, car ces deux propriétés sont incompatibles, c'est pourquoi Hsu et Sui ont conçu les leurs. Les chercheurs ont commencé par une couche de graphène d'un atome d'épaisseur, dont ils ont montré qu'elle était trop fine pour réfléchir ou absorber l'un ou l'autre type de lumière. Mais elle n'est pas non plus assez propice à la transmission de la quantité d'électricité nécessaire pour que le dispositif fonctionne à grande échelle. Pour contourner cette limitation, Hsu et Sui ont ajouté une fine grille d'or sur le graphène pour servir d'autoroute à l'électricité. Bien que cela ait quelque peu réduit la capacité du graphène à laisser passer la lumière sans entrave, le compromis était suffisamment faible pour en valoir la peine.
Le deuxième défi consistait à concevoir un matériau capable de se placer entre les deux couches d'électrodes et de passer de l'absorption de la lumière et de la chaleur à leur passage. Les chercheurs y sont parvenus en exploitant un phénomène appelé plasmonique. Lorsque de minuscules particules métalliques de taille nanométrique sont placées à quelques nanomètres les unes des autres, elles peuvent essentiellement piéger des longueurs d'onde spécifiques de la lumière en fonction de leur taille et de leur espacement. Mais dans ce cas, les nanoparticules sont distribuées de manière aléatoire en grappes, ce qui entraîne des interactions avec une large gamme de longueurs d'onde, ce qui est bénéfique pour piéger efficacement la lumière du soleil.
Dans la démonstration, l'électricité passant par les deux électrodes provoque la formation de nanoparticules métalliques près de l'électrode supérieure. Non seulement le dispositif devient noir, mais l'ensemble du dispositif absorbe et piège la lumière visible et la chaleur. Et lorsque le flux électrique est inversé, les nanoparticules se dissolvent à nouveau dans l'électrolyte liquide transparent. La transition entre les deux états ne prend qu'une minute ou deux. "Le dispositif passerait de nombreuses heures dans l'un ou l'autre état dans le monde réel, et la perte de quelques minutes d'efficacité pendant la transition n'est qu'une goutte d'eau dans l'océan", a déclaré M. Hsu.
Il reste encore de nombreux défis à relever pour rendre cette technologie utile au quotidien. Le plus important pourrait être d'augmenter le nombre de fois où les nanoparticules peuvent passer de la formation à la désintégration, car le prototype n'a pu effectuer que quelques dizaines de transitions avant de perdre son efficacité. Il est également possible d'améliorer la réflectivité solaire du mode de refroidissement, dont M. Hsu espère qu'il permettra d'obtenir un refroidissement subambiant dans un avenir proche.
Toutefois, à mesure que la technologie mûrit, elle peut trouver de nombreuses applications. Elle pourrait être appliquée aux murs extérieurs ou aux toits pour aider à chauffer et à refroidir les bâtiments tout en consommant très peu d'énergie. En dotant l'enveloppe des bâtiments d'une telle capacité dynamique d'utiliser des ressources renouvelables pour le chauffage et la climatisation, on pourrait également réduire l'utilisation des matériaux de construction qui sont une source importante d'émissions de carbone depuis des décennies.
Pour plus d'informations, visitez le site :
[This is automatically translated from English]