Résumé :
Dans la structure mondiale de la consommation d'énergie, la demande de chauffage et de refroidissement représente près de la moitié de la consommation d'énergie, et cette demande continue d'augmenter. Depuis plus d'un siècle, les réfrigérateurs, climatiseurs et systèmes de refroidissement des centres de données traditionnels reposent presque exclusivement sur des compresseurs électriques et des réfrigérants en circulation pour transférer la chaleur. De nombreux réfrigérants traditionnels sont également des gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement climatique.
Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne et de l'Université de Tsukuba au Japon a réalisé une percée majeure et a développé avec succès le premier prototype au monde d'un système de réfrigération à semi-conducteurs entièrement alimenté par l'énergie thermique, réalisant une nouvelle voie technique qui élimine les moteurs électriques et convertit directement la chaleur perdue ou l'énergie solaire en énergie froide.
Ce système surmonte le principal goulot d'étranglement du « refroidissement élastocalorique », une technologie de réfrigération à semi-conducteurs de pointe. En tant qu'alternative prometteuse à la réfrigération par compression traditionnelle, les alliages à mémoire de forme refroidissent lorsque la charge mécanique appliquée est relâchée ; Cependant, avant cela, les systèmes de réfrigération en élastomères existants reposaient encore sur des actionneurs électriques pour fournir une force mécanique externe, ce qui empêchait la technologie d'utiliser directement la chaleur résiduelle ou l'énergie solaire facilement disponible de l'environnement.
La nouvelle conception de l'équipe commune révolutionne ce mécanisme de puissance, en remplaçant les actionneurs électriques traditionnels par « l'énergie thermique » elle-même. Le cœur du système réside dans la combinaison ingénieuse de deux films ultra-fins en alliage nickel-titane à mémoire de forme avec différentes divisions de travail : le premier film agit comme un actionneur thermique, rétrécissant en utilisant l'effet mémoire de forme lorsqu'il est chauffé et convertissant directement l'énergie thermique en travail mécanique sans avoir besoin d'un moteur ; ce mouvement de déplacement agit alors sur le deuxième film qui joue un rôle réfrigérant. En le chargeant et en le déchargeant périodiquement, il déclenche des changements réversibles dans la structure cristalline du matériau, générant ainsi en permanence de l'énergie froide.
Le projet de recherche est dirigé par le Dr Jingyuan Xu, chef de la jeune équipe de recherche du laboratoire d'énergie thermique ZEco du KIT Institute of Microstructure Technology (IMT). Il a souligné que l'innovation clé de cette avancée réside dans la combinaison de deux fonctions complémentaires de l'alliage à mémoire de forme : un film est responsable de la conversion de l'énergie thermique en travail mécanique, et l'autre film convertit le travail mécanique en énergie froide. Cette conception établit un nouveau paradigme d'entraînement de réfrigération à semi-conducteurs, ouvrant des possibilités prometteuses pour une utilisation efficace de la chaleur résiduelle et de l'énergie solaire.
Les données expérimentales montrent que le prototype a démontré avec succès des effets de refroidissement mesurables lors de tests en laboratoire. Lorsque l'actionneur est à une température de 86 degrés Celsius, une différence de température de 4 degrés Celsius est obtenue au niveau de l'ensemble des composants, tandis que le changement de température du réfrigérant élastique lui-même est proche de 13 degrés Celsius. En outre, les chercheurs ont introduit une source de chaleur externe de 130 degrés Celsius pour la tester, et le système a également maintenu un fonctionnement stable et fiable, prouvant pleinement la faisabilité de la technologie pour correspondre à la source de chaleur dans un environnement industriel réel. Yi-Ting Hsiau, premier auteur de l'article et doctorant au KIT, a déclaré que pouvoir mesurer de ses propres yeux l'énergie froide réellement produite par le système d'entraînement thermique est un moment très décisif, qui confirme que le principe théorique n'est en aucun cas un simple morceau de papier.
Le prototype actuellement fabriqué est principalement utilisé pour la vérification du concept et la démonstration de faisabilité, et n'a pas encore été optimisé pour une capacité de refroidissement maximale. L’équipe de recherche tente actuellement d’augmenter de manière exponentielle la capacité de refroidissement globale du système en étendant plusieurs couches de films en parallèle. À mesure que la technologie mûrit et se miniaturise, ses futurs scénarios d'application sont très larges : les processeurs informatiques ou les serveurs peuvent « utiliser la chaleur perdue qu'ils émettent pour se refroidir ». La chaleur perdue générée par le groupe motopropulseur automobile peut également être directement convertie en source d’énergie de refroidissement pour les composants électroniques automobiles sensibles. L'équipe de recherche scientifique a déclaré que cette réalisation n'est qu'un début. À l’avenir, avec l’expansion du système et la mise en œuvre d’une conception compacte, la quantité massive de chaleur résiduelle environnementale visible partout devrait être convertie en ressources de réfrigération vertes et durables.
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