Un nouveau système de refroidissement élastocalorique est prometteur pour une utilisation commerciale

Un système de refroidissement élastocalorique qui absorbe la chaleur lorsque la tension est relâchée dans des faisceaux de tubes métalliques a été développé par une équipe de chercheurs aux États-Unis et en Chine. Dirigé par Ichiro Takeuchi de l'Université du Maryland, le projet de l'équipe a atteint des performances de refroidissement comparables à celles d'autres matériaux caloriques et pourrait ouvrir la voie à une utilisation commerciale dans un avenir pas trop lointain.

Les systèmes de réfrigération conventionnels utilisent généralement des gaz qui ont de puissants effets de serre s'ils sont rejetés dans l'atmosphère. En conséquence, les chercheurs développent des technologies alternatives de réfrigération à semi-conducteurs basées sur des matériaux caloriques. Ces matériaux subissent des changements de température lorsqu’ils sont exposés à des champs magnétiques ou électriques externes, ou en réponse à des contraintes mécaniques ou à une pression. En plus d’éviter les produits chimiques nocifs, les systèmes de refroidissement basés sur des matériaux caloriques pourraient également être plus économes en énergie que les réfrigérateurs existants.

Jusqu’à présent, ces recherches se sont concentrées principalement sur les matériaux magnétocaloriques, mais plus récemment, les matériaux élastocaloriques sont apparus comme des candidats encore plus prometteurs pour le refroidissement calorique commercial. Parmi ces matériaux se trouve l’alliage nickel-titane (NiTi) hautement élastique et facile à fabriquer.

Comme l'équipe de Takeuchi l'a montré pour la première fois il y a plus de dix ans, les fils fins de cet alliage peuvent expulser de grandes quantités de chaleur lorsqu'ils sont sous tension et l'absorber lorsque la tension est relâchée. "Il y a environ 12 ans, nous avons découvert que le NiTi pouvait afficher expérimentalement une grande plage de température, que vous pouvez sentir à la main", se souvient Takeuchi. « À l’époque, nous l’avions démontré en ajoutant de la tension aux fils NiTi facilement disponibles. C’est ainsi que nous avons commencé à fabriquer des dispositifs élastocaloriques.

Les chercheurs se sont ensuite mis au travail pour développer des applications de refroidissement commercialement utiles. Cependant, la mise en œuvre d’un refroidissement élastocalorique à grande échelle s’est avérée être un défi technique de taille. Le principal problème est que les cycles répétés de tension et de relâchement endommagent les fils NiTi, limitant ainsi leur durée de vie pratique.

Pour relever ce défi, l'équipe de Takeuchi a développé un nouveau système d'échange thermique dans lequel l'eau est pompée à travers des faisceaux de tubes NiTi. « Il nous a fallu beaucoup de temps pour surmonter divers défis techniques, mais grâce à notre récente démonstration, nous avons pu démontrer ce que nous avions envisagé il y a 10 ans. Nous utilisons l'eau comme fluide caloporteur, ce qui la rend plus froide et peut donc être utilisée à son tour pour la réfrigération ou la climatisation », explique Takeuchi.

L'équipe a utilisé deux quantités pour évaluer le succès de l'approche. Le premier est la « puissance de refroidissement délivrée », qui décrit le taux d’évacuation de la chaleur. La seconde est la « plage de température », qui décrit la différence de température entre l’eau à chaque extrémité du système. « Pour ces deux chiffres importants, nous avons pu atteindre respectivement 260 W et 22,5 K », précise Takeuchi. Les chercheurs ont maximisé chacune de ces valeurs tour à tour, simplement en ajustant les séquences de fonctionnement des vannes de leur système d'échange de chaleur.

Ces derniers résultats sont un exemple de la façon dont les matériaux élastocaloriques rattrapent les performances de refroidissement de leurs homologues magnétocaloriques et pourraient bientôt devenir des candidats réalisables pour les systèmes de refroidissement commerciaux.

Le refroidissement à l'état solide est obtenu via une contrainte induite par un champ électrique

Cependant, Takeuchi concède que l’utilisation pratique des matériaux élastocaloriques est peut-être encore loin, car elle nécessitera probablement le développement préalable de matériaux plus avancés. "La contrainte élevée requise pour le NiTi reste un problème, mais il existe des matériaux à l'horizon, d'autres matériaux superélastiques, connus pour présenter des effets élastocaloriques avec une contrainte beaucoup plus faible", dit-il.

"Ces matériaux sont moins développés et ne sont pas encore disponibles dans le commerce, mais nous pensons que leur développement ultérieur et leur mise en œuvre dans des systèmes de refroidissement à faible contrainte constituent une perspective vraiment passionnante." L'équipe de Takeuchi a déjà élaboré des plans pour un refroidisseur à vin compact et élastocalorique et espère présenter un prototype réussi une fois que ces matériaux seront disponibles.