Une nouvelle façon de fournir un refroidissement sans électricité: Un appareil développé au MIT pourrait fournir une réfrigération pour les emplacements hors réseau

Des chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle façon de fournir un refroidissement par une chaude journée ensoleillée, utilisant des matériaux peu coûteux et ne nécessitant aucune énergie produite par des combustibles fossiles. Le système passif, qui pourrait être utilisé pour compléter d'autres systèmes de refroidissement pour conserver les aliments et les médicaments au chaud, emplacements hors réseau, est essentiellement une version high-tech d'un parasol.

Deux versions de l'appareil conçu par des chercheurs du MIT, utiliser une bande de métal pour bloquer la lumière directe du soleil, ont été construits et testés sur le toit d'un bâtiment du MIT pour confirmer qu'ils pouvaient fournir un refroidissement bien en dessous de la température de l'air ambiant. Photo de Bikram Bhatia

Le système permet l'émission de chaleur dans la gamme de lumière infrarouge moyenne qui peut passer directement à travers l'atmosphère et rayonner dans le froid de l'espace extra-atmosphérique, coup de poing à travers les gaz qui agissent comme une serre. Pour éviter de chauffer en plein soleil, une petite bande de métal suspendue au-dessus de l'appareil bloque les rayons directs du soleil.

Le nouveau système est décrit cette semaine dans le journal nature Communications dans un article du chercheur scientifique Bikram Bhatia, étudiant diplômé Arny Leroy, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, professeur de physique Marin Soljačić, et six autres au MIT.

En théorie, le système qu'ils ont conçu pourrait fournir un refroidissement allant jusqu'à 20 degré Celsius (36 degrés Fahrenheit) en dessous de la température ambiante dans un endroit comme Boston, les chercheurs disent. Jusque là, dans leurs premiers tests de preuve de concept, ils ont obtenu un refroidissement de 6 C (sur 11 F). Pour les applications nécessitant encore plus de refroidissement, le reste pourrait être obtenu grâce à des systèmes de réfrigération conventionnels ou à un refroidissement thermoélectrique.

D'autres groupes ont tenté de concevoir des systèmes de refroidissement passifs qui émettent de la chaleur sous la forme de longueurs d'onde de lumière infrarouge moyen., mais ces systèmes ont été basés sur des dispositifs photoniques d'ingénierie complexes qui peuvent être coûteux à fabriquer et pas facilement disponibles pour une utilisation généralisée, les chercheurs disent. Les appareils sont complexes car ils sont conçus pour refléter presque parfaitement toutes les longueurs d'onde de la lumière solaire, et uniquement pour émettre un rayonnement dans le domaine de l'infrarouge moyen, pour la plupart. Cette combinaison de réflectivité sélective et d'émissivité nécessite un matériau multicouche où les épaisseurs des couches sont contrôlées avec une précision nanométrique..

Mais il s'avère qu'une sélectivité similaire peut être obtenue en bloquant simplement la lumière directe du soleil avec une bande étroite placée juste au bon angle pour couvrir la trajectoire du soleil dans le ciel., ne nécessitant aucun suivi actif par l'appareil. ensuite, un dispositif simple construit à partir d'une combinaison de film plastique peu coûteux, aluminium poli, peinture blanche, et l'isolation peut permettre l'émission de chaleur nécessaire par rayonnement infrarouge moyen, c'est ainsi que la plupart des objets naturels se refroidissent, tout en empêchant l'appareil d'être chauffé par la lumière directe du soleil. En réalité, des systèmes de refroidissement radiatifs simples sont utilisés depuis l'Antiquité pour obtenir un refroidissement nocturne; le problème était que de tels systèmes ne fonctionnaient pas pendant la journée parce que l'effet de chauffage de la lumière du soleil était au moins 10 fois plus fort que l'effet de refroidissement maximal réalisable.

Mais les rayons chauffants du soleil voyagent en lignes droites et sont facilement bloqués - comme nous le constatons, par exemple, en entrant à l'ombre d'un arbre par une chaude journée. En ombrageant l'appareil en mettant essentiellement un parapluie dessus, et complétant cela avec une isolation autour de l'appareil pour le protéger de la température de l'air ambiant, les chercheurs ont rendu le refroidissement passif plus viable.

"Nous avons construit l'installation et fait des expériences en plein air sur un toit du MIT," dit Bhatia. "Cela a été fait avec des matériaux très simples" et a clairement montré l'efficacité du système.

"C'est d'une simplicité trompeuse," dit Wang. "En ayant un abat-jour séparé et un émetteur dans l'atmosphère - deux composants séparés qui peuvent être relativement peu coûteux - le système ne nécessite pas de capacité spéciale pour émettre et absorber de manière sélective. Nous utilisons la sélectivité angulaire pour permettre de bloquer le soleil direct, alors que nous continuons à émettre les longueurs d'onde caloporteuses vers le ciel.

Ce projet « nous a incités à repenser l'utilisation de l'ombre,"", déclare Yichen Shen, un chercheur affilié et co-auteur de l'article. "Dans le passé, les gens n'ont pensé à l'utiliser que pour réduire le chauffage. Mais maintenant, nous savons si l'abat-jour est utilisé intelligemment avec un filtrage de la lumière de soutien, il peut en fait être utilisé pour refroidir l'objet," il dit.

Un facteur limitant pour le système est l'humidité dans l'atmosphère, dit Leroy, qui peut bloquer une partie de l'émission infrarouge dans l'air. Dans un endroit comme Boston, proche de l'océan et relativement humide, cela limite la quantité totale de refroidissement qui peut être obtenue, en le limitant à environ 20 degré Celsius. Mais dans des environnements plus secs, comme le sud-ouest des États-Unis. ou de nombreux environnements désertiques ou arides à travers le monde, le refroidissement maximal réalisable pourrait en fait être beaucoup plus important, il fait remarquer, potentiellement autant que 40 C (72 F).

Alors que la plupart des recherches sur le refroidissement radiatif se sont concentrées sur des systèmes plus grands qui pourraient être appliqués au refroidissement de pièces ou de bâtiments entiers, cette approche est plus localisée, Wang dit: "Ce serait utile pour les applications de réfrigération, tels que le stockage des aliments ou les vaccins. En effet, protéger les vaccins et autres médicaments contre la détérioration à chaud, les conditions tropicales ont été un défi permanent majeur que cette technologie pourrait être bien positionnée pour relever.

Même si le système n'était pas suffisant pour abaisser la température jusqu'aux niveaux nécessaires, « cela pourrait au moins réduire les charges » sur les systèmes de réfrigération électrique, pour fournir juste le dernier morceau de refroidissement, Wang dit.

Le système peut également être utile pour certains types de systèmes photovoltaïques à concentration, où des miroirs sont utilisés pour concentrer la lumière du soleil sur une cellule solaire afin d'augmenter son efficacité. Mais de tels systèmes peuvent facilement surchauffer et nécessitent généralement une gestion thermique active avec des fluides et des pompes. Au lieu, l'arrière de tels systèmes de concentration pourrait être équipé des surfaces émissives dans l'infrarouge moyen utilisées dans le système de refroidissement passif, et pourrait contrôler le chauffage sans aucune intervention active.

Alors qu'ils continuent à travailler sur l'amélioration du système, le plus grand défi est de trouver des moyens d'améliorer l'isolation de l'appareil, pour éviter qu'il ne s'échauffe trop avec l'air ambiant, tout en ne bloquant pas sa capacité à émettre de la chaleur. "Le principal défi est de trouver un matériau isolant qui serait transparent aux infrarouges," dit Leroy.

L'équipe a demandé des brevets sur l'invention et espère qu'elle pourra commencer à trouver des applications dans le monde réel assez rapidement.

La source: news.mit.edu, par David L. shipchandler