Monde de la Physique : « Nous développons des technologies de refroidissement économes en énergie »

Le climat de la Terre continue de se réchauffer, ce qui signifie que le besoin en systèmes de refroidissement augmente également. Une grande partie de la consommation énergétique mondiale peut déjà être attribuée au refroidissement. C’est pourquoi les chercheurs tentent de développer des systèmes de refroidissement aussi économes en énergie que possible. Un phénomène particulier, appelé effet électrocalorique, promet par exemple des systèmes de refroidissement efficaces et compacts constitués de solides minces. Contrairement aux réfrigérateurs actuels, le froid serait généré à l’aide d’un matériau solide et non d’un liquide de refroidissement ou d’un gaz. Dans une interview avec World of Physics, Daniel Hägele de l’Université de Bochum parle de l’état actuel de la recherche et des possibilités de la nouvelle technologie.

Monde de la physique : Pourquoi le développement de nouveaux systèmes de refroidissement est-il si important ?

Daniel Hägele : Aujourd’hui, environ deux dixièmes de la consommation mondiale d’énergie sont déjà utilisés pour le refroidissement. Cette proportion devrait encore augmenter sensiblement dans les années à venir. Premièrement, le climat se réchauffe constamment et, deuxièmement, dans les pays tropicaux et subtropicaux très peuplés, il existe une classe moyenne de plus en plus nombreuse qui peut se permettre la climatisation. On s’attend à ce que les besoins énergétiques pour le refroidissement dépassent bientôt largement ceux pour le chauffage. Il est donc d’autant plus important que nous développions, d’une part, de nouvelles technologies de refroidissement économes en énergie et, d’autre part, que nous fournissions suffisamment d’électricité respectueuse du climat à cet effet.

Quel est l’effet électrocalorique que vous avez utilisé pour vos expériences ?

L’effet électrocalorique amène certains matériaux à augmenter leur température lorsqu’un champ électrique est appliqué. Si vous éteignez à nouveau le champ, la température baisse à nouveau. Vous pouvez l’utiliser pour construire un système de refroidissement tel qu’un réfrigérateur : Tout d’abord, vous chauffez le matériau en appliquant un champ électrique. Le matériau chauffé peut ensuite refroidir au contact de l’environnement et lorsque le champ électrique est à nouveau désactivé, le matériau devient plus froid que la température ambiante.

Que se passe-t-il avec cet effet au niveau microscopique ?

Le changement de température est dû au fait que l’ordre dans le matériau change. Les matériaux électrocaloriques possèdent des dipôles électriques qui peuvent être alignés par un champ. Maintenant, ces dipôles se déplacent d’avant en arrière comme les atomes d’un gaz. Lorsque vous appliquez un champ électrique au matériau, les dipôles s’alignent le long du champ. Ils transfèrent l’excès d’énergie vibratoire aux vibrations des atomes cristallins. Cela augmente la température. Si vous éteignez le champ, c’est exactement le contraire qui se produit : les dipôles absorbent l’énergie vibratoire de la grille, provoquant ainsi le refroidissement du matériau.

Comment pouvez-vous construire une unité de refroidissement à partir de cela ?

Ce qui est intéressant à propos de cet effet, c’est qu’un effet de refroidissement suffisamment important se produit même avec des couches très fines de moins d’un millimètre. Parce qu’un matériau aussi fin adapte très rapidement sa température à l’environnement. Nous pouvons travailler avec des champs alternatifs de quelques hertz à quelques kilohertz. Cela signifie qu’il est désormais possible d’atteindre des puissances de refroidissement de quelques watts et des différences de température de quelques degrés. Cela ne semble pas grand-chose, mais le refroidissement sera bien meilleur à l’avenir. Par exemple, on pourrait construire un dispositif de refroidissement pour un réfrigérateur en combinant plusieurs de ces éléments.

Quels matériaux sont réellement adaptés à la construction de tels éléments de refroidissement ?

Il existe des matériaux très différents qui présentent un effet électrocalorique. Un matériau classique est le titanate de baryum, mais son effet n’est suffisamment important qu’à des températures élevées de 130 degrés Celsius. Les matériaux qui pourraient être envisagés à température ambiante comprennent ce qu’on appelle les relaxants. Cependant, jusqu’à présent, il s’agissait principalement de matériaux inorganiques contenant du plomb. C’est pourquoi des recherches sont menées très activement sur des alternatives respectueuses de l’environnement et sans plomb. Mais il existe également des matériaux organiques tels que les polymères qui présentent un effet électrocalorique. Bien qu’ils soient faciles à produire et à traiter, ils contiennent malheureusement souvent du fluor, ce que l’on aimerait également éviter. Nous sommes donc encore dans le domaine de la recherche fondamentale et la première chose est de développer une meilleure compréhension de tous ces matériaux. Mais à l’avenir, en ce qui concerne les applications techniques, nous souhaitons utiliser des matériaux dont les matières premières ne posent aucun problème.

Il y a aussi l’effet magnétocalorique. Cet effet est-il également intéressant pour les nouveaux systèmes de refroidissement ?

La magnétocalorique est également une technologie encore jeune, mais qui a déjà été un peu développée. Il existe déjà une startup à Darmstadt qui propose une telle solution de refroidissement. Les effets d’ordre sont également cruciaux en magnétocalorique – seulement ici, les dipôles magnétiques au lieu des dipôles électriques dans le matériau jouent un rôle central.

Quelle est la différence entre les possibilités d’utilisation des deux technologies ?

L’effet magnétocalorique nécessite un champ magnétique très puissant. Pour cela, des aimants permanents de poids approprié sont utilisés. Ceci est particulièrement adapté aux grandes solutions – par exemple pour les entrepôts frigorifiques ou dans le secteur de la vente au détail de produits alimentaires. Les électrocaloriques, quant à eux, utilisent des couches extrêmement fines et peuvent donc être facilement miniaturisés. Cela peut être utilisé pour refroidir de petits appareils ou même des batteries. Quoi qu’il en soit, nous sommes impatients de voir si les électrocaloriques trouveront un jour leur place dans la vie quotidienne et seront utilisés par exemple dans les systèmes de climatisation.

En plus des économies d’énergie, des recherches sont également menées pour déterminer si de nouveaux systèmes de refroidissement peuvent produire du dioxyde de carbone, c’est-à-dire du CO₂, peut être libéré de l’air. Vos expériences apportent-elles également quelque chose à cette recherche ?

À l’avenir, il sera difficile d’éviter d’éliminer le dioxyde de carbone de l’air si nous voulons maintenir le changement climatique dans des limites tolérables. Il est encore trop tôt pour dire quel rôle jouera ici l’effet électrocalorique. Mais d’énormes unités de refroidissement alimentées par l’énergie solaire pourraient éliminer le dioxyde de carbone de l’air en refroidissant l’air jusqu’à ce que le dioxyde de carbone se solidifie et puisse être capturé. Le dioxyde de carbone froid pourrait ensuite être utilisé pour pré-refroidir davantage d’air avant de le stocker profondément dans la roche.