Des lampes à incandescence à basse consommation!

On ne trouve quasiment plus en vente de lampes à incandescence classiques  constituées d’un filament de tungstène placé dans une ampoule vidée ou remplie de gaz neutre. Ces lampes issues de l’invention géniale (1879) de Thomas Edison ont un rendement vraiment faible. En effet, ce n’est que 2% de l’énergie maintenant le filament à l’incandescence qui rayonne dans le spectre visible, le reste émet des ondes infrarouges de longueurs d’onde plus élevées qui se perdent en chaleur. Elles sont remplacées maintenant par des lampes fluorescentes compactes (rendement de l’ordre de 8%, des lampes à DEL (diodes émettrices de lumière, rendement 29% pour les meilleures.) ou encore par des lampes à incandescence dites halogènes ( 2,6%).

 Des physiciens du Massachusets Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA et de l’université de Purdue, Indiana, USA ont montré qu’une lampe à  filament de tungstène incandescent entouré d’un filtre optique multicouches calculé pour réfléchir l’infrarouge et laisser passer le visible pourrait avoir un rendement (≈40%), supérieur à ceux de toutes les autres technologies de la lumière. Ils en ont réalisé un prototype très simplifié qui atteint déjà un rendement de 6,6%.

 

Les corps chauffés à haute température émettent un  rayonnement de large spectre allant de l’infrarouge au visible. Le traditionnel filament de tungstène porté à quelques 3000K (2727 °C) émet l’essentiel de son rayonnement dans l’infrarouge invisible à l’œil et l’on perd ainsi en chaleur 98% de l’énergie électrique consommée par le chauffage du filament. Même les lampes à incandescence dites ” halogènes” n’atteignent qu’un rendement à peine plus fort dû à la température plus élevée de leur filament.

Pour réaliser autour du filament une enceinte qui piège le rayonnement infrarouge et laisse passer le visible, M. Soljacic et al. ont imaginé d’enfermer un filament chauffant entre deux structures interférentielles plates, formées de multicouches déposées sur de fines plaques de silice (SiO2). Elles fonctionnent à la manière des couches antireflets des objectifs des appareils photo et d’autres systèmes optiques. Ces multicouches sont calculées pour se laisser traverser par la lumière visible sans la réfléchir.

Les traitements antireflets des optiques sont des applications du phénomène d’interférences. A l’origine, on déposait seulement une couche d’un matériau à l’interface de 2 milieux d’indice de réfraction différents n1 et n2. Une couche d’épaisseur λ/4 d’un matériau d’indice proche de √(n1n2) entraînait par interférence l’annulation de la réflexion pour cette longueur d’onde et donc sa transmission totale d’un milieu à l’autre. Par la suite, l’alternance de couches d’épaisseur et d’indice différents permettra d’obtenir une transmission sur toute l’étendue du spectre visible.

Dans le système proposé par les physiciens du MIT, les multicouches sont à la fois antireflets pour le visible mais réfléchissent entièrement l’infrarouge. La puissance électrique nécessaire pour porter le filament à l’incandescence est donc abaissée puisque l’infrarouge réfléchi sur le filament contribue à le chauffer (Fig.1.).

Fig.1. Schéma du système proposé pour augmenter le rendement de sources à incandescence. A gauche : on aperçoit le filament compris entre les deux plaques portant les multicouches. A droite : on a représenté la structure précédente vue de côté. Adapté de Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić. Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016

Fig.1. Schéma du système proposé pour augmenter le rendement de sources à incandescence.
A gauche : on aperçoit le filament compris entre les deux plaques portant les multicouches.
A droite : on a représenté la structure précédente vue de côté.
Adapté de Tailoring high-temperature radiation and the
resurrection of the incandescent source
Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić.
Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016. Avec autorisation.

Pour réaliser un filtre à multicouches, on alterne des couches successives d’oxydes de divers indices de réfraction. Avec 300 couches  de 4 matériaux  (SiO2, Al2O3, Ta2O5 et TiO2)  d’épaisseurs optimisées, on a pu montrer, par simulation numérique, qu’on atteint un rendement lumineux (le rapport de la puissance lumineuse émise dans le visible à la puissance électrique consommée pour chauffer le filament) de 40%. Le nombre de couches est bien supérieur à celui, quelques 10 couches, utilisé pour les couches antireflets des optiques. Pour l’instant, il semble difficile de réaliser industriellement ce genre de filtres.  Les progrès des techniques de couches minces pourraient bientôt néanmoins le permettre.

Les chercheurs du MIT ont réalisé un modèle simplifié de la lampe constitué de seulement deux matériaux, SiO2 et Ta2O5 et  de 90 couches au total. Ce prototype a  atteint un rendement de 6,6%. Cette valeur est pratiquement celle  du rendement des meilleures ampoules fluorescentes compactes et ampoules à DEL du commerce. Elle est supérieure à celles correspondant aux autres lampes à incandescence existantes. Le filament est réalisé dans une fine plaque de tungstène, on obtient ainsi une structure à une dimension. La figure 2 ci-dessous en présente la photographie.

 Fig.2. Photographie du prototype simplifié de la lampe à incandescence à filtre de chaleur. Adapté de Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić. Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016. Avec autorisation.


Fig.2. Photographie du prototype simplifié de la lampe à incandescence à filtre de chaleur.
Reproduit de Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source, Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić.
Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016. Avec autorisation.

Mais ce type de lampe  présente un avantage supplémentaire, son excellent rendu de couleurs. Celui-ci est mesuré par l’indice de rendement de couleur, IRC.

L’illustration suivante montre l’excellente place de la nouvelle ampoule à incandescence par rapport aux autres sources de lumière.

 

Fig.2. Comparaison de l'indice de rendu de couleur, IRC, pour deux types de lampes à économie d'énergie et la nouvelle lampe à incandescence à filament filtré. On voit que la lumière fournie par cette dernière a un IRC proche du maximum (100). Adapté de Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić. Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016. Avec autorisation.

Fig.3. Comparaison de l’indice de rendu de couleur, IRC, pour deux types de lampes à économie d’énergie et la nouvelle lampe à incandescence à filament filtré. On voit que la lumière fournie par cette dernière a un IRC proche du maximum (100).
Adapté de Tailoring high-temperature radiation and the
resurrection of the incandescent source
Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic and Marin Soljačić.
Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016. Avec autorisation.

 

 

 

Au fur et à mesure que les méthodes de fabrication des couches minces se perfectionneront et que le coût des dépôts s’abaissera, il sera plus facile d’empiler un grand nombre de couches et probablement aussi de réaliser des structures interférentielles à deux ou trois dimensions. Le chemin est ouvert pour parvenir à un haut rendement et un contrôle aisé du rayonnement des sources  de lumière à haute température.

 

 

Pour en savoir plus :

Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source,

Ognjen Ilic, Peter Bermel, Gang Chen, John D. Joannopoulos, Ivan Celanovic  and Marin Soljačić.

Nature Nanotechnology, Advance on line publication: 11 jan 2016.

 

 

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