Le système de réfrigération traditionnel repose sur la compression de vapeur, une méthode où le transfert de chaleur nécessite l’utilisation d’un fluide frigorigène. Bien que la vaporisation de ce fluide absorbe efficacement la chaleur, l’impact énergétique et par extensions, sur le réchauffement climatique, est significatif. Il y a peu, des chercheurs américains ont mis au point une méthode de refroidissement et de chauffage innovante, plus respectueuse de l’environnement. Baptisée « refroidissement ionocalorique », elle repose sur l’utilisation d’ions pour induire des changements de phase solide-liquide.
Dans ce type de réfrigérateurs (à changement de phase), le fluide frigorigène est pompé à l’intérieur d’un circuit fermé. Il subit alors un changement de phase où il est condensé en liquide. Cependant, le potentiel de réchauffement global (PRG) des hydrofluorocarbures volatils, utilisés non seulement par les réfrigérateurs, mais aussi par les climatiseurs, est 2 000 fois supérieur à celui du CO2, ce qui en fait des gaz à effet de serre extrêmement polluants. Une alternative à ces hydrofluorocarbures est le refroidissement calorique, qui exploite la manière dont l’énergie est stockée lors du changement de phase d’un matériau.
Dans le refroidissement calorique, le cycle de transition de phase — impliquant à la fois l’absorption et l’émission de chaleur — s’applique à d’autres substances, dont des matériaux électrocaloriques et magnétocaloriques. Ces matériaux passent d’un état solide à un état liquide par le biais de champs électriques ou magnétiques. Cependant, les capacités de refroidissement et de chauffage des réfrigérateurs utilisant ce système restent relativement modestes.
Pour développer un système de refroidissement calorique (à changement de phase) à haut rendement, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) et de l’Université de Californie à Berkeley ont mis au point une technique reposant sur un effet calorique distinct, utilisant des ions.
« Le paysage des réfrigérants est un problème non résolu. Personne n’a encore réussi à développer une solution alternative qui permette de refroidir les aliments, qui soit efficace, sûre et écologique », a déclaré Drew Lilley, assistant de recherche diplômé au Berkeley Lab et doctorant à l’UC Berkeley, dans un communiqué. Il ajoute : « Nous pensons que le cycle ionocalorique a le potentiel de répondre à tous ces objectifs, à condition d’être correctement mis en œuvre ».
Une méthode efficace et respectueuse de l’environnement
Pour concevoir son système de refroidissement ionocalorique, l’équipe de recherche s’est inspirée d’un phénomène hivernal courant : l’utilisation du sel pour faire fondre la glace sur les routes verglacées, transformant ainsi la glace en neige fondante sans nécessiter d’élévation de température. Pour revenir à un état liquide, en temps normal, un solide doit fondre — un processus nécessitant obligatoirement de l’énergie. Cependant, en empêchant ce solide d’absorber l’énergie environnante, il exploite sa propre énergie pour fondre à basse température, ce qui entraîne un changement de phase énergétiquement très efficace.
Dans le cycle ionocalorique, le mécanisme provoque des changements de phase et de température grâce à un flux d’atomes et de molécules chargées électriquement (les ions). Un courant électrique traverse le système pour déplacer les ions, modifiant ainsi le point de fusion du matériau. En ce sens, lorsque le matériau fond, il absorbe la chaleur et, inversement, lorsqu’il se solidifie, il la restitue. L’équipe note que l’utilisation d’un liquide permet de contrôler de manière optimale la fusion ou la solidification d’un matériau, facilitant ainsi l’échange de chaleur dans le système.
Pour mener à bien leurs expériences, Lilley et ses collègues ont utilisé un sel composé d’iode et de sodium ainsi qu’un solvant organique présent dans les batteries lithium-ion, le carbonate d’éthylène. « L’utilisation d’un matériau comme le carbonate d’éthylène pourrait même avoir un bilan carbone négatif, car il est produit à partir du dioxyde de carbone. Cela pourrait nous offrir un moyen d’utiliser le CO2 issu de la capture du carbone », explique Lilley.
D’après les résultats, publiés dans la revue Science, l’expérience montre une variation de température de 25 °C avec une tension de seulement 0,22 V, soit un changement largement supérieur à celui observé avec des matériaux magnétocaloriques et électrocaloriques. L’équipe a également constaté des variations d’entropie allant jusqu’à 500 JK⁻¹ kg⁻¹, une mesure de l’efficacité du processus de refroidissement.
Selon les chercheurs, la composition de carbonate d’éthylène-iodure de sodium pourrait conduire à un bilan carbone négatif. « Nous essayons de trouver un équilibre entre trois facteurs : le PRG du réfrigérant, l’efficacité énergétique et le coût de l’équipement », déclare Ravi Prasher du LBNL. « Dès le premier essai, nos données semblent très prometteuses sur ces trois aspects », ajoute-t-il. L’équipe espère que cette technique pourra bientôt remplacer les systèmes traditionnels, reposant sur la compression de vapeur.