La physique

Nov 09, 2023

Les systèmes de réfrigération qui utilisent des matériaux qui se refroidissent en réponse à une force électrique, magnétique ou mécanique appliquée offrent des alternatives respectueuses de l'environnement à ceux qui fuient les gaz à effet de serre que l'on trouve dans la plupart des maisons et des usines (voir Dossier : In Hot Pursuit of 21st Century Cooling). Les chercheurs ont maintenant démontré une version rentable et évolutive de l'un de ces systèmes dits de "refroidissement calorique" [1]. Leur approche, qui utilise un matériau qui répond à une force mécanique, dépasse les records de performance établis par des méthodes reposant sur des champs magnétiques. Les chercheurs affirment que leur technologie est également beaucoup moins coûteuse à fabriquer et à exploiter et pourrait être prête pour une utilisation commerciale d'ici un an.

Les systèmes de refroidissement à base magnétique ont eu un premier contact avec la renommée en 1998 avec la démonstration d'un système à température ambiante proche qui a gardé son contenu froid pendant 1500 heures [2]. Dans ce système, un champ magnétique était appliqué à un matériau magnétocalorique, entraînant une augmentation de la température, car les vibrations atomiques compensaient l'entropie perdue sous forme de spins non appariés dans le matériau aligné. La désactivation du champ a inversé cette augmentation, permettant au matériau d'agir comme réfrigérant pouvant être utilisé dans les serpentins de refroidissement d'un réfrigérateur domestique. Mais l'induction de l'effet magnétocalorique nécessite des champs magnétiques puissants (> 1 tesla), qui ne peuvent être fournis que par des aimants permanents coûteux contenant des alliages de terres rares.

Une approche alternative consiste à utiliser un matériau élastocalorique. Un tel matériau subit un changement de température induit par l'entropie lorsqu'il est soumis à une force mécanique suffisamment importante pour modifier partiellement la phase du matériau. En 2012, Ichiro Takeuchi de l'Université du Maryland a découvert que lorsqu'il est étiré, un fil disponible dans le commerce en nickel et titane (NiTi) subit un tel changement, l'augmentation de température étant suffisamment importante pour être ressentie à la main. Il a découvert plus tard qu'une diminution de la température se produit lors de la compression des tubes NiTi, puis a utilisé l'effet en 2016 pour développer un système de refroidissement électrocalorique précoce. "Nous avons commencé à fabriquer des systèmes [de refroidissement à faible puissance] utilisant des tubes NiTi en mode compression il y a une dizaine d'années", explique Takeuchi.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par Takeuchi et Reinhard Radermacher de l'Université du Maryland a placé le refroidissement élastocalorique en tête de la course à la réfrigération sans gaz à effet de serre. Plusieurs défis techniques se dressaient entre leur démo de 2016 et la nouvelle, qui a amélioré la récupération des fluides, réduit les pertes de chaleur dues au frottement et fourni des faisceaux de tubes plus denses. Dans le nouveau dispositif, l'eau - le fluide caloporteur - circule à travers deux faisceaux de tubes NiTi disponibles dans le commerce. Les deux faisceaux se connectent via un actionneur, qui applique une charge à un faisceau pendant qu'il décharge l'autre, créant ainsi des cycles de compression qui entraînent la réfrigération. Le système peut fonctionner dans deux modes différents, selon la quantité d'eau qui circule dans le système au cours d'un cycle. Un mode optimise la puissance de refroidissement, l'autre la plage de température. L'équipe a démontré qu'elle pouvait refroidir le système de 22,5 K, contre 4,7 K dans son schéma de 2016.

Pourtant, les calculs de l'équipe indiquent que l'efficacité globale du système pourrait être améliorée d'un facteur 6 en utilisant des actionneurs plus efficaces. De plus, les chercheurs pensent qu'ils pourraient améliorer l'efficacité en remplaçant le NiTi par un matériau connu à base de cuivre qui présente un changement de température élastocalorique similaire sous une contrainte plus faible. De tels matériaux ne sont actuellement pas disponibles dans le commerce, mais Takeuchi dit qu'il est ravi de les mettre en œuvre dans des systèmes de refroidissement à faible contrainte.

Les données de Takeuchi et de son équipe "sont très impressionnantes", déclare Kilian Bartholomé, qui étudie les convertisseurs d'énergie thermique à l'Institut Fraunhofer pour les techniques de mesure physique en Allemagne. Il souligne que presque tous les systèmes élastocaloriques démontrés utilisent du NiTi qui n'a été ni fabriqué ni optimisé pour une utilisation dans les appareils de réfrigération, ce qui signifie qu'il existe encore un "grand potentiel" pour augmenter les performances des systèmes. Takeuchi pense que lui et ses collègues seront en mesure d'améliorer suffisamment les performances de leur système pour rendre la technologie commercialement viable d'ici un an. Première application qu'il envisage : un refroidisseur à vin compact.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz est rédactrice en chef correspondante pour Physics Magazine basée à Vancouver, au Canada.

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