Grâce au financement constant du ministère de l’Énergie, le Centre d’ingénierie énergétique environnementale a amélioré le paysage mondial de la conversion énergétique.
Alors que les températures mondiales continuent d'augmenter à un rythme dangereux, le nombre de climatiseurs en service augmente également. Les chercheurs du Centre d'ingénierie énergétique environnementale de l'Université du Maryland travaillent depuis des années sur des projets financés par le ministère de l'Énergie pour mettre en œuvre des technologies qui pourraient être la solution pour rendre ces machines plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement à mesure que la dépendance à leur égard augmente.
Pendant des décennies, les climatiseurs utilisaient comme agents de refroidissement des produits chimiques appelés hydrofluorocarbures (HFC), des gaz à effet de serre très puissants ayant un potentiel de réchauffement climatique élevé. La recherche d'un réfrigérant alternatif a été une priorité absolue pour les chercheurs du monde entier, et le rythme de leurs travaux s'est accéléré après l'adoption de la loi AIM en 2020 et la ratification par le Sénat de l'amendement de Kigali en 2022, qui appellent tous deux à une réduction progressive des HFC.
Une alternative prometteuse, connue sous le nom de refroidissement élastocalorique, est née d'un partenariat entre les équipes du Dr Reinhard Radermacher, professeur de génie mécanique et directeur du CEEE, et du Dr Ichiro Takeuchi, professeur et président par intérim du département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UMD. Takeuchi travaillait avec un collègue au début des années 2000 sur le projet d'utiliser des alliages de nickel-titane pour les stents médicaux, mais ils ont finalement changé de direction lorsqu'ils ont réalisé que le matériau avait d'autres potentiels : en expérimentant avec des fils de nickel-titane, ils ont découvert qu'ils pouvaient créer un effet de refroidissement tangible en les étirant et en les relâchant.
Pour exploiter cette possibilité, ils ont demandé un financement à l'Agence des projets de recherche avancée – Énergie, une subdivision du ministère de l'Énergie, et c'est à ce moment-là que Radermacher a contacté Takeuchi et lui a demandé de combiner l'expertise en matériaux de Takeuchi avec l'expertise en refroidissement de CEEE.
Le CEEE, fondé en 1991 par Radermacher et d'autres membres du corps enseignant, est un centre de recherche dédié à la recherche de moyens de rendre la conversion d'énergie plus respectueuse de l'environnement, une grande partie de ses recherches étant axées sur l'efficacité des pompes à chaleur en particulier. Le centre mène généralement plus d'une douzaine de projets en même temps, dirigés par une équipe de membres du corps enseignant et d'étudiants diplômés.
« L’objectif était de disposer d’un service de recherche qui mène des travaux proches des besoins de l’industrie afin que les résultats aient des avantages à court terme et aident les étudiants à bénéficier d’une formation adaptée à l’industrie avec une transition fluide et efficace vers l’emploi », a déclaré Radermacher. Ils ont apporté des contributions majeures au domaine, comme le développement d’un logiciel de conception de climatisation dans le but d’obtenir les meilleures performances tout en restant relativement peu coûteux et utilisé par les fabricants du monde entier. Les personnes affiliées au centre ont publié des centaines d’articles universitaires liés aux résultats de leurs recherches.
« Si nous sommes un acteur majeur depuis longtemps et que nous le sommes toujours, c'est grâce à cette collaboration entre notre expertise en matériaux et l'expertise en ingénierie et en technologie CVC du centre de Reinhard. C'est vraiment un mariage parfait entre les deux », a déclaré Takeuchi.
De ce mariage est née une technique connue sous le nom de refroidissement élastocalorique, qui consiste à appliquer une contrainte mécanique à des alliages à mémoire de forme superélastiques tels que les alliages de nickel et de titane. Le métal libère une grande quantité de chaleur lorsque cette tension est appliquée et peut l'absorber lorsque la tension est relâchée, créant ainsi un effet de refroidissement. Bien que l'alliage n'ait pas un effet de refroidissement aussi puissant que les HFC, il constitue une alternative prometteuse car les métaux sont plus stables que le gaz et le nickel et le titane sont tous deux d'origine naturelle, ce qui signifie qu'ils ne sont pas nocifs pour l'environnement, selon Takeuchi.
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Outre l’équipe de Takeuchi, Radermacher attribue une grande partie de leur succès au financement du DOE. L’automne dernier, le centre a reçu 5 millions de dollars pour soutenir trois projets différents liés à la technologie des échangeurs de chaleur et des pompes à chaleur. Sans ce type de financement, Radermacher a déclaré qu’il serait « extrêmement difficile de faire des progrès significatifs » dans leurs recherches sur le refroidissement élastocalorique, compte tenu de la différence entre leurs travaux et les techniques de refroidissement existantes.
« Dans notre cas, nous voulons comprimer le métal », explique Radermacher. « Imaginez un faisceau de tubes métalliques, et maintenant vous les comprimez pour qu'ils deviennent un peu plus courts. Vous devez le faire dans un appareil qui permet d'extraire la chaleur ou le froid des tubes pendant qu'ils sont encore comprimés. Ce n'est pas une pratique courante, il faut donc faire preuve de créativité pour obtenir l'effet de chauffage et de refroidissement de ce matériau. »
Bien que Radermacher et Takeuchi soient les premiers chercheurs à travailler sur cette technologie, le concept a gagné du terrain dans le monde entier, ce qui a donné lieu à une saine concurrence entre différents laboratoires. Les élastocaloriques figuraient dans la liste des 10 principales technologies émergentes de 2024 du Forum économique mondial.
Au CEEE, l’objectif ultime de ce projet est de créer un système de refroidissement qui n’implique pas de fluide libérant quoi que ce soit dans l’atmosphère. En attendant, les chercheurs aimeraient se concentrer sur la création d’un système doté d’une capacité de refroidissement importante, abordable, pas trop lourd et fonctionnant efficacement. Takeuchi a déclaré qu’au cours des deux prochaines années, il peut envisager que les petits réfrigérateurs et les refroidisseurs à vin soient les premières applications de ce refroidissement élastocalorique, car les appareils actuels sont adaptés à une application de réfrigération à plus petite échelle.
« Dans toutes les technologies caloriques, il existe une tendance claire », a déclaré Takeuchi. « Nous plafonnons la densité énergétique, ce qui indique que nous avons atteint un stade où la technologie est suffisamment mature pour qu’il ne nous reste plus qu’à passer à l’échelle supérieure et que nous devrions alors pouvoir commencer à réaliser de véritables applications. »
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