À l’heure où le réchauffement climatique bat des records, les scientifiques tentent activement de trouver des alternatives aux instruments de climatisation permettant aux populations de maintenir des températures ambiantes acceptables tout en diminuant la consommation d’énergie. Une équipe de scientifiques sino-américaine propose un tout nouveau dispositif permettant à la fois de collecter l’énergie solaire tout en renvoyant dans l’espace le surplus de chaleur. Une technologie qui pourrait équiper les immeubles du futur.

Des chercheurs de l’Université de Stanford ont mis au point un nouveau type de technologie de panneaux solaires qui non seulement capte la lumière du soleil et la convertit en électricité (comme le font les panneaux conventionnels), mais peut également renvoyer l’excédent de chaleur directement dans l’espace.

« Nous avons construit le premier appareil qui pourrait un jour produire de l’énergie et économiser de l’énergie, au même endroit et au même moment, en contrôlant deux propriétés très différentes de la lumière » explique Shanhui Fan, ingénieur en électricité et auteur principal de l’étude.

Le processus dont Fan parle est appelé refroidissement radiatif, au cours duquel un objet — tout objet, y compris les bâtiments, ou même le corps humain — émet de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge. Lorsque les objets rayonnent de cette manière, ils perdent de la chaleur au travers du phénomène de radiation thermique. Toutefois, ce phénomène possède un inconvénient : toute la chaleur émise ne s’échappe pas de notre atmosphère et ne parvient pas jusqu’à l’espace.

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« Pensez à l’atmosphère comme une grande couverture autour de la Terre » déclare Zhen Chen, ancien chercheur à Stanford et actuellement professeur à l’université du Sud-Est de la Chine. « Cette couverture ne permet pas facilement à la chaleur de passer de la Terre à l’espace extérieur. Mais il y a des « trous » dans la couverture, à travers laquelle la chaleur peut rayonner vers l’espace ».

Le nouveau prototype mis au point par les chercheurs est une première en son genre, visant à associer un dispositif de refroidissement radiatif à un panneau solaire classique, créant ainsi un type de technologie hybride qui absorbe la lumière du Soleil tout en émettant de la lumière infrarouge vers le ciel.

En effet, le refroidisseur radiatif permet de convertir la longueur d’onde du rayonnement renvoyé pour qu’il puisse traverser l’atmosphère sans encombres. Les détails de la technologie ont été publiés dans la revue Joule.

prototype energie solaire

Le prototype est composé d’un panneau solaire laissant passer les infrarouges et d’un refroidisseur radiatif permettant de renvoyer ces derniers vers l’espace. Crédits : L.A. Cicero

Le dispositif est composé d’un réseau d’absorbeurs solaires conventionnel de la taille d’un disque compact, placé au-dessus d’un refroidisseur radiatif en forme de cercle, composé de couches de nitrure de silicium, de silicium et d’aluminium, enfermées sous vide.

Le principe est que le panneau solaire est transparent pour l’infrarouge. Ainsi, même s’il absorbe la plus grande partie de la lumière du Soleil, le rayonnement infrarouge (d’une longueur d’onde comprise entre 8 et 13 micromètres) passe à travers et peut être réémis dans l’espace, en se frayant un chemin à travers les « trous » atmosphériques.

Lors des tests, l’appareil — qui s’appuie sur les innovations précédentes de l’équipe en matière de refroidissement radiatif développées en 2014 et 2015 — a fonctionné avec succès : la couche inférieure (le refroidisseur radiatif) enregistrait des températures inférieures à celles de l’air ambiant et du panneau solaire.

schema dispositif energie solaire

Fonctionnement du dispositif : un panneau solaire laisse passer une certaine gamme de longueurs d’onde correspondant aux infrarouges moyens, qui sont ensuite réémis par refroidissement radiatif vers l’espace. Le graphe présente les résultats des tests effectués et montre bien une température inférieure pour le refroidisseur radiatif. Crédits : Chen et al. 2018

« Cela montre que la chaleur a rayonné du bas vers le haut, à travers la couche supérieure puis dans l’espace » explique Chen dans un communiqué, bien qu’il reste encore un long travail aux scientifiques avant que ce type de panneau solaire à double fonction ne puisse être installé sur les toits des immeubles.

Pour commencer, le panneau solaire du prototype de l’équipe n’était pas réellement fonctionnel en matière de production d’électricité, ce qui représente donc le prochain problème à résoudre pour les chercheurs : développer des cellules solaires fonctionnelles avec des éléments qui ne bloquent pas la lumière infrarouge.

Une fois cet obstacle technique surmonté, l’instrument sera totalement fonctionnel. « Le Soleil est une source d’énergie naturelle connue et largement utilisée par les humains depuis de nombreuses années. Cependant, la nature nous offre aussi une évacuation naturelle de cette chaleur, dont les gens ne pensent pas forcément : l’espace » conclut Chen.

Source : Joule

3 Réponses

  1. MB13

    J’ai un peu de mal à comprendre l’idée. Si je comprends bien, ils cherchent à utiliser la partie visible (et éventuellement UV) du rayonnement solaire pour produire de l’électricité, et en parallèle réémettre le rayonnement IR vers l’espace. Sauf que l’atmosphère est justement imperméable (ou presque) au rayonnement IR, sinon pas d’effet de serre. Pour moi le rayonnement réémis sera simplement réfléchi par l’atmosphère et renvoyé vers le sol…

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    • Thomas Boisson
      Thomas Boisson

      Bonjour,

      L’article précise : « En effet, le refroidisseur radiatif permet de convertir la longueur d’onde du rayonnement renvoyé pour qu’il puisse traverser l’atmosphère sans encombres. »

      L’équipe à l’origine du dispositif avait déjà publié il y a quelques années sur une technologie permettant de convertir la longueur d’onde des IR reçus en longueur d’onde traversant l’atmosphère. C’est cette technologie qu’ils ont implanté dans leur refroidisseur radiatif.

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  2. MB13

    Effectivement, mais c’est justement le fait de « refroidir le rayonnement » qui me perturbe. Un rayonnement plus froid implique une longueur d’onde plus grande (d’après la loi de Planck), et donc un rayonnement qui est de plus en plus dans l’IR. Or de ce que je sais (c’est peut-être la source de mon incompréhension ^^), l’atmosphère laisse passer le visible, mais réfléchi une grande partie du rayonnement IR, d’où l’effet de serre.
    Après quelques recherches, il semble que certaines bandes de longueur d’onde dans l’IR soient moins réfléchies (et plus transmises) que d’autres. Ça doit donc être ces bandes qui sont exploitées par cette technologie. Bizarrement, on dirait qu’une de ces bandes se trouve autour de la température moyenne de la Terre, ce qui me surprend un peu vis-à-vis de l’effet de serre… A approfondir de mon côté donc…!
    https://fr.wikipedia.org/wiki/Couleur_du_ciel#/media/File:Radiation_transmise.png

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