Un refroidissement obtenu nuit et jour par rayonnement

La climatisation  consomme  une énorme quantité d’énergie qu’on estime actuellement pour la terre entière à environ 1260 TWh/an. Un système de refroidissement passif qui fonctionnerait sans électricité ou pétrole diminuerait la consommation globale d’énergie de la planète. Mais, pour réaliser un refroidissement au dessous de la température ambiante, on doit minimiser les effets du rayonnement du soleil en plein jour.
Des chercheurs de la State University of New York at Buffalo, Buffalo USA, de l’University of Wisconsin, Madison, USA et de la King Abdullah University of Science and Technology, Thuwal, Arabie Saoudite, ont conçu un système  où deux miroirs sélectifs en longueurs d’onde absorbent l’énergie solaire incidente et redirigent simultanément vers le fond du ciel le rayonnement thermique d’un émetteur vertical placé entre les deux miroirs.

Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique généré par l’agitation thermique des particules de la matière quelque soit son état, solide, liquide ou gazeux. La longueur d’onde du maximum d’intensité émise dépend de la température du corps émetteur (Loi de Planck). Elle est ainsi, pour le soleil (5780°K),  de 0,5 µm et pour un objet à 20°C, de 9,88 µm (domaine de l’infrarouge).
Fig.1. Refroidisseur passif à 2 miroirs ne consommant pas d'électricité En haut, à gauche, schéma du dispositif, à droite sa photo. La courbe en bleu correspond à un essai avec un seul des 2 miroirs de la figure. Celle en rouge correspond à un essai avec les 2 miroirs. Tiré de Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system Lyu Zhou, HaominSong, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S.Ooi, Zongfu, Yu, Qiaoqiang Gan. Cell Reports Physical Science 2, 100338, February 24, 2021 CC BY-NC-ND 4.0

Fig.1. Refroidisseur passif à 2 miroirs ne consommant pas d’électricité
En haut, à gauche, schéma du dispositif, à droite sa photo.
La courbe en bleu correspond à un essai avec un seul des 2 miroirs de la figure.
Celle en rouge correspond à un essai avec les 2 miroirs.
Tiré de Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system
Lyu Zhou, HaominSong, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S.Ooi, Zongfu, Yu, Qiaoqiang Gan. Cell Reports Physical Science 2, 100338, February 24, 2021 CC BY-NC-ND 4.0

 

 

La puissance moyenne rayonnée par le soleil reçue par la Terre par unité de surface est de l’ordre de 1000W/m2.
Les objets aux températures ambiantes émettent thermiquement une radiation électromagnétique  dans l’infra-rouge de longueur d’onde comprise entre 8 et 16 µm tandis que le soleil émet un rayonnement dans le spectre visible  de longueur d’onde allant d’environ 0,2 à 1 µm.
Pour obtenir un refroidissement radiatif utilisable de jour, il faut que  l’objet à refroidir émette vers le fond du ciel du rayonnement  infra-rouge tout en évitant qu’il soit réchauffé par le rayonnement du soleil.

La figure 2.B  détaille les trajets des divers rayonnements et échanges thermiques dans le cas d’un système plan (à gauche) et du système à 2 miroirs inclinés utilisé ici (à droite).

   Fig.2. Schéma de la structure à 2 miroirs inclinés     A) Emetteur horizontal qui reçoit directement     le rayonnement solaire qui est absorbé.     B) Schéma de la structure proposée: émetteur vertical, miroirs     inclinés sélectifs en longueur d'onde.     C) Schéma des miroirs sélectifs : 10 couches de Ag-SiO2 déposées par évaporation, chacune d'elles ayant des proportions de mélange différentes.     D) Courbe de réflexion des rayonnements par les miroirs sélectifs.     L'insert est une photo d'une plaque de miroir sélectif. On voit qu'elle est noire, preuve de ce qu'elle absorbe fortement le spectre visible et le réfléchit donc très peu comme le montre la courbe.     Tiré de Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system     Lyu Zhou, HaominSong, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S.Ooi, Zongfu, Yu, Qiaoqiang Gan. Cell Reports Physical Science 2, 100338, February 24, 2021 CC BY-NC-ND 4.0   A) Le faisceau laser d’écriture induit la réduction d’oxyde de graphène GO par conversion ascendante de photons, tandis que le faisceau d’inhibition empêche la réduction de GO en bloquant la génération de photons de haute énergie dans les UCPNs. B) Schéma du dispositif expérimental. Le double faisceau permet d’écrire sur la couche nanocomposite GO-UCNP avec une résolution de 50 nm. Tiré de Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu Science Advances 2021; 7 24 February 2021 C.C. BY-NC-ND 4.0

Fig.2. Schéma de la structure à 2 miroirs inclinés
A) Emetteur horizontal qui reçoit directement
le rayonnement solaire qui est absorbé.
B) Schéma de la structure proposée: émetteur vertical, miroirs
inclinés sélectifs en longueur d’onde.
C) Schéma des miroirs sélectifs : 10 couches de Ag-SiO2 déposées par évaporation, chacune d’elles ayant des proportions de mélange différentes.
D) Courbe de réflexion des rayonnements par les miroirs sélectifs.
L’insert est une photo d’une plaque de miroir sélectif. On voit qu’elle est noire, preuve de ce qu’elle absorbe fortement le spectre visible et le réfléchit donc très peu comme le montre la courbe.
Tiré de Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system
Lyu Zhou, HaominSong, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S.Ooi, Zongfu, Yu, Qiaoqiang Gan. Cell Reports Physical Science 2, 100338, February 24, 2021 CC BY-NC-ND 4.0

 

Les miroirs doivent réfléchir l’infra-rouge vers le ciel à travers l’atmosphère  qui est assez transparente à ces longueurs d’onde. Ils doivent par contre absorber un maximum du spectre visible émis par le soleil.

Les miroirs utilisés ici sont composés d’un empilement de 10 couches de films  nanométriques d’Ag-SiO2  obtenu par évaporation. (Fig.2. C.) sur un support en verre.
On voit sur la Fig.2. D que la réflectivité de ces miroirs dans le spectre visible ( entre 0,5 et 2 µm) est environ 10 fois plus faible que celle entre 8 et 16 µm.

 

Le dispositif schématisé Fig.1. et  Fig.2.B répond bien aux exigences du refroidissement radiatif dans la journée.

Dans l’environnement du laboratoire, ce système a donné une puissance de refroidissement de 242,3 W/m2 et a atteint une température inférieure de 14°C  à la température ambiante.

Les chercheurs ont testé aussi leur appareillage à l’extérieur. Pour diminuer encore plus l’absorption du rayonnement solaire, ils ont utilisé comme émetteur vertical du film de polydiméthylsiloxane (PDMS) transparent. Ce film était ancré au centre d’une boîte en polystyrène (Fig.1.).

De 9h20 à 11h, la réduction de température par rapport à l’ambiante était de 12°C, inférieur de 2°C à celle obtenue au laboratoire. La puissance de refroidissement par unité de surface atteint 236,6 W/m2.

Le rayonnement solaire chauffe les 2 miroirs inclinés jusqu’à environ 55-60°C. Ils constituent donc une source de chaleur séparée pouvant être utilisée, par exemple, dans une machine  thermique fournissant de l’énergie mécanique ou dans d’autres applications.

 

Cette structure à 2 miroirs inclinés  et émetteur vertical permet donc de réaliser un refroidissement radiatif et un chauffage solaire dans le même appareil. Ce système hybride peut  réduire le coût d’installations de climatisation et de fourniture d’eau chaude et alimenter des générateurs thermoélectriques.

 

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Pour en savoir plus:

Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system
Lyu Zhou, HaominSong, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S.Ooi, Zongfu, Yu, Qiaoqiang Gan. Cell Reports Physical Science 2, 100338, February 24, 2021  Open Access

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