Les prototypes d’un système fluidique multicouche conçu par des chercheurs en ingénierie de l’université de Toronto contiennent plusieurs couches de canaux qui renferment des fluides aux propriétés optiques variées (impression d’artiste avec l’aimable autorisation de Raphael Kay et d’Adrian So).
Inspirés par la peau dynamique aux couleurs changeantes d’organismes tels que le calmar, des chercheurs de l’université de Toronto ont mis au point un système fluidique multicouche capable de réduire les coûts énergétiques liés au chauffage, au refroidissement et à l’éclairage des bâtiments.
La plateforme, qui optimise la longueur d’onde, l’intensité et la dispersion de la lumière transmise par les fenêtres, offre un contrôle beaucoup plus grand que les technologies existantes tout en maintenant des coûts faibles grâce à l’utilisation de composants simples et disponibles dans le commerce.
« Les bâtiments consomment une tonne d’énergie pour chauffer, refroidir et éclairer les espaces qu’ils abritent », explique Raphael Kay, qui a récemment obtenu une maîtrise en génie mécanique de la Faculté des sciences appliquées et du génie et qui est l’auteur principal d’un nouvel article publié dans la revue PNAS.
« Si nous pouvons contrôler stratégiquement la quantité, le type et la direction de l’énergie solaire qui entre dans nos bâtiments, nous pouvons réduire massivement la quantité de travail que nous demandons aux chauffages, aux refroidisseurs et aux lumières. »
Actuellement, certaines technologies de construction « intelligentes », comme les stores automatiques ou les fenêtres électrochromiques – qui modifient leur opacité en réponse à un courant électrique – peuvent être utilisées pour contrôler la quantité de lumière solaire qui entre dans la pièce. Toutefois, selon Raphael Kay, ces systèmes sont limités : ils ne peuvent pas distinguer les différentes longueurs d’onde de la lumière, ni contrôler la répartition spatiale de cette lumière.
« La lumière du soleil contient de la lumière visible, qui a un impact sur l’éclairage du bâtiment, mais elle contient également d’autres longueurs d’onde invisibles, comme la lumière infrarouge, que l’on peut considérer comme de la chaleur », explique-t-il.
« En hiver, au milieu de la journée, vous voudriez probablement laisser passer les deux, mais en été, vous voudriez laisser passer uniquement la lumière visible et non la chaleur. Les systèmes actuels ne peuvent généralement pas faire cela – ils bloquent les deux ou aucun. Ils n’ont pas non plus la capacité de diriger ou de diffuser la lumière de manière bénéfique. »
Inspiration biologique pour la multicouche fluidique : (A) Le changement de couleur chez le caméléon panthère est réalisé à l’aide d’une architecture multicouche de cristaux photoniques actifs ; (B) Le changement de couleur chez le calmar est réalisé à l’aide d’actions coordonnées dans une multicouche d’éléments pigmentaires et structurels.
Mis au point par Raphael Kay et une équipe dirigée par le professeur associé Ben Hatton, le système exploite la puissance de la microfluidique pour offrir une alternative. L’équipe comprenait également le candidat au doctorat Charlie Katrycz, tous deux du département de science et de génie des matériaux, et Alstan Jakubiec, professeur adjoint à la faculté d’architecture, de paysage et de design John H. Daniels.
Les prototypes consistent en des feuilles de plastique plates qui sont imprégnées d’un réseau de canaux de quelques millimètres d’épaisseur dans lesquels des fluides peuvent être pompés. Des pigments, des particules ou d’autres molécules personnalisées peuvent être mélangés aux fluides pour contrôler le type de lumière qui passe – comme les longueurs d’onde visibles ou proches de l’infrarouge – et la direction dans laquelle cette lumière est ensuite distribuée.
Ces feuilles peuvent être combinées en une pile multicouche, chaque couche étant responsable d’un type différent de fonction optique : contrôle de l’intensité, filtrage de la longueur d’onde ou réglage de la diffusion de la lumière transmise à l’intérieur. En utilisant de petites pompes à commande numérique pour ajouter ou retirer des fluides de chaque couche, le système peut optimiser la transmission de la lumière.
« C’est simple et peu coûteux, mais cela permet également un contrôle combinatoire incroyable. Nous pouvons concevoir des façades de bâtiments dynamiques à l’état liquide qui font pratiquement tout ce que vous voulez en termes de propriétés optiques », explique Raphael Kay.
Ces travaux s’appuient sur un autre système utilisant un pigment injecté, mis au point par la même équipe plus tôt cette année. Si cette étude s’inspirait des capacités de changement de couleur des arthropodes marins, le système actuel s’apparente davantage à la peau multicouche des calmars.
De nombreuses espèces de calmars ont une peau qui contient des couches superposées d’organes spécialisés – notamment des chromatophores, qui contrôlent l’absorption de la lumière, et des iridophores, qui ont un impact sur la réflexion et l’iridescence. Ces éléments adressables individuellement fonctionnent ensemble pour générer des comportements optiques uniques qui ne sont possibles que par leur fonctionnement combiné.
Alors que les chercheurs en ingénierie de l’Université de Toronto se sont concentrés sur les prototypes, Alstan Jakubiec a construit des modèles informatiques détaillés qui ont analysé l’impact énergétique potentiel de l’habillage d’un bâtiment hypothétique avec ce type de façade dynamique.
Les modèles ont été alimentés par les propriétés physiques mesurées sur les prototypes. L’équipe a également simulé divers algorithmes de contrôle pour activer ou désactiver les couches en réponse à l’évolution des conditions ambiantes.
« Si nous n’avions qu’une seule couche qui se concentre sur la modulation de la transmission de la lumière proche de l’infrarouge – sans même toucher à la partie visible du spectre – nous constatons que nous pourrions économiser environ 25 % par an sur l’énergie de chauffage, de refroidissement et d’éclairage par rapport à une base statique », explique Raphael Kay.
« Si nous avons deux couches – infrarouge et visible – c’est plutôt 50 %. Ce sont des économies très importantes. »
Dans l’étude la plus récente, les algorithmes de contrôle ont été conçus par des humains, mais Ben Hatton asssure que le défi de les optimiser serait une tâche idéale pour l’intelligence artificielle – une direction future possible pour la recherche.
« L’idée d’un bâtiment capable d’apprendre, c’est-à-dire capable d’ajuster lui-même ce réseau dynamique pour l’optimiser en fonction des changements saisonniers et quotidiens des conditions solaires, est très intéressante pour nous », souligne Ben Hatton.
« Nous travaillons également sur la manière d’étendre efficacement ce système à l’ensemble d’un bâtiment. Cela demandera du travail, mais étant donné que tout cela peut être fait avec des matériaux simples, non toxiques et peu coûteux, c’est un défi qui peut être résolu. »
Ben Hatton espère également que l’étude encouragera d’autres chercheurs à réfléchir de manière plus créative à de nouvelles façons de gérer l’énergie dans les bâtiments.
« À l’échelle mondiale, la quantité d’énergie consommée par les bâtiments est énorme – elle est même supérieure à ce que nous dépensons pour la fabrication ou le transport », dit-il. « Nous pensons que la fabrication de matériaux intelligents pour les bâtiments est un défi qui mérite beaucoup plus d’attention. »
https://www.utoronto.ca/news/liquid-windows-inspired-squid-skin-could-help-buildings-save-energy
