Les dispositifs thermoélectriques, qui peuvent générer de l’énergie quand un côté de l’appareil est à une température différente de l’autre, ont fait l’objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. Aujourd’hui, une équipe du MIT a trouvé une nouvelle façon de convertir les fluctuations de température en énergie électrique. Au lieu d’exiger deux entrées de température différentes en même temps, le nouveau système tire parti des oscillations de la température ambiante qui se produisent pendant le cycle jour-nuit.
La technologie développée au MIT peut exploiter les fluctuations de température de toutes sortes pour produire de l’électricité.
Le nouveau système, baptisé un résonateur thermique, pourrait permettre un fonctionnement continu sur plusieurs années de systèmes de télédétection, par exemple, sans nécessiter d’autres sources d’énergie ou de batteries, selon les chercheurs.
Les résultats sont rapportés dans la revue Nature Communications, dans un article de Anton Cottrill, étudiant diplômé, Michael Strano, professeur de génie chimique à Carbon P. Dubbs, et sept autres du Département de génie chimique du MIT.
« Nous avons fondamentalement inventé ce concept dans un tissu entier », explique Michael Strano. « Nous avons construit le premier résonateur thermique. C’est quelque chose qui peut prendre place sur un bureau et générer de l’énergie à partir de ce qui ne ressemble à rien. Nous sommes entourés de fluctuations de température de multiples fréquences différentes tout le temps. Ce sont des sources d’énergie inexploitées. «
Alors que les niveaux de puissance générés par le nouveau système sont modestes jusqu’à présent, l’avantage du résonateur thermique est qu’il n’a pas besoin de la lumière directe du soleil; il génère de l’énergie à partir des changements de température ambiante, même à l’ombre. Cela signifie qu’il n’est pas affecté par les changements à court terme de la couverture nuageuse, du vent ou d’autres conditions environnementales et qu’il peut être situé n’importe où – même sous un panneau solaire, à l’ombre perpétuelle, où il pourrait permettre même à un panneau solaire d’être plus efficace en attirant la chaleur perdue, disent les chercheurs.
Le résonateur thermique a montré qu’il surpassait un matériau pyroélectrique commercial de taille identique – une méthode établie pour convertir les fluctuations de température en électricité – d’un facteur de plus de trois en termes de puissance par zone, selon Anton Cottrill.
Les chercheurs ont réalisé que pour produire de l’énergie à partir des cycles de température, ils avaient besoin d’un matériau optimisé pour une caractéristique peu connue appelée effusivité thermique – une propriété qui décrit comment le matériau peut facilement tirer de la chaleur de son environnement ou la libérer. L’effusivité thermique combine les propriétés de conduction thermique (vitesse de propagation de la chaleur à travers un matériau) et de capacité thermique (quantité de chaleur pouvant être stockée dans un volume donné de matériau). Dans la plupart des matériaux, si l’une de ces propriétés est élevée, l’autre a tendance à être faible. Les céramiques, par exemple, ont une capacité thermique élevée mais une faible conduction.
Pour contourner cela, l’équipe a créé une combinaison de matériaux soigneusement adaptée. La structure de base est une mousse métallique, faite de cuivre ou de nickel, qui est ensuite revêtue d’une couche de graphène pour fournir une conductivité thermique encore plus grande. Ensuite, la mousse est imprégnée d’une sorte de cire appelée octadécane, un matériau à changement de phase, qui change entre solide et liquide dans une gamme particulière de températures choisies pour une application donnée.
Un échantillon du matériau fabriqué pour tester le concept a montré que, simplement en réponse à une différence de température de 10 degrés Celsius entre la nuit et le jour, le minuscule échantillon de matériau produisait 350 millivolts de potentiel et 1,3 milliwatts de puissance, assez pour alimenter de petits capteurs environnementaux ou des systèmes de communication.
«Le matériau à changement de phase stocke la chaleur», explique Anton Cottrill, l’auteur principal de l’étude, «et le graphène vous donne une conduction très rapide» quand vient le temps d’utiliser cette chaleur pour produire un courant électrique.
Essentiellement, explique Michael Strano, un côté de l’appareil capte la chaleur qui irradie ensuite lentement de l’autre côté. Un côté est toujours en retard sur l’autre alors que le système tente d’atteindre l’équilibre. Cette différence perpétuelle entre les deux côtés peut alors être récoltée par les thermoélectriques conventionnels. La combinaison des trois matériaux – la mousse métallique, le graphène et l’octadécane – en fait «le matériau d’effusivité thermique le plus élevé de la littérature à ce jour», dit Michael Strano.
Alors que le test initial a été effectué en utilisant le cycle quotidien de 24 heures de la température de l’air ambiant, le réglage des propriétés du matériau pourrait permettre de récolter d’autres types de cycles de température, tels que la chaleur du cycle des moteurs dans un réfrigérateur, ou de la machinerie dans les usines industrielles.
«Nous sommes entourés de variations et de fluctuations de température, mais elles n’ont pas été bien caractérisées dans l’environnement», explique Michael Strano. C’est en partie parce qu’il n’y avait aucune façon connue de les récupérer.
D’autres approches ont été utilisées pour essayer d’extraire l’énergie des cycles thermiques, avec des dispositifs pyroélectriques, par exemple, mais le nouveau système est le premier qui peut être réglé pour répondre à des périodes spécifiques de variations de température, comme le cycle diurne.
Selon Michael Cottrill, ces variations de température sont «une énergie inexploitée» et pourraient constituer une source d’énergie complémentaire dans un système hybride qui, en combinant plusieurs voies de production de puissance, pourrait continuer à fonctionner même si des composants individuels échouaient. La recherche a été financée en partie par une subvention de l’Université des Sciences et Technologies du Roi Abdullah d’Arabie Saoudite (KAUST), qui espère utiliser ce système pour alimenter des réseaux de capteurs qui surveillent les conditions dans les champs pétroliers et gaziers, par exemple.
«Ils veulent des sources d’énergie orthogonales», précise Anton Cottrill, c’est-à-dire des sources totalement indépendantes les unes des autres, comme des générateurs de combustibles fossiles, des panneaux solaires et ce nouveau dispositif d’alimentation à cycle thermique. Ainsi, «si une pièce tombe en panne», par exemple si les panneaux solaires sont laissés dans l’obscurité par une tempête de sable, «vous aurez ce mécanisme supplémentaire pour donner de l’énergie, même si c’est juste suffisant pour envoyer un message d’urgence».
Selon Volodymyr Koman, postdoc du MIT et co-auteur de la nouvelle étude, de tels systèmes pourraient également fournir des sources d’énergie de faible puissance mais de longue durée pour les atterrisseurs ou les rovers explorant des régions éloignées, y compris d’autres lunes et planètes. Pour de telles utilisations, une grande partie du système pourrait être fabriqué à partir de matériaux locaux plutôt que de devoir être préfabriqué, dit-il.
Cette approche «est un développement novateur avec un grand avenir», explique Kourosh Kalantar-zadeh, éminent professeur d’ingénierie à l’université RMIT de Melbourne, en Australie, qui n’a pas participé à ce travail. « Il peut potentiellement jouer un rôle inattendu dans les unités de récupération d’énergie complémentaires. »
Il ajoute: «Pour rivaliser avec d’autres technologies de récupération d’énergie, des tensions et des puissances toujours plus élevées sont exigées. Cependant, personnellement, je pense qu’il est tout à fait possible d’en tirer beaucoup plus en investissant davantage dans le concept. … C’est une technologie intéressante qui sera potentiellement suivie par beaucoup d’autres dans un proche avenir. »
L’équipe comprenait également des étudiants diplômés en génie chimique du MIT, Albert Tianxiang Liu, Amir Kaplan et Sayalee Mahajan; chercheur invité Yuichiro Kunai; postdoc Pingwei Liu; et premier cycle Aubrey Toland. Il a été soutenu par l’Office of Naval Research, la KAUST et la Fondation nationale suisse des sciences.
http://news.mit.edu/2018/system-draws-power-daily-temperature-swings-0215
