Des chercheurs de l'Institut d'optique, de mécanique fine et de physique de Changchun (CIOMP), de l'Académie chinoise des sciences, ont réalisé des progrès significatifs dans le refroidissement sans énergie grâce à des technologies avancées de refroidissement radiatif. Leur travail collaboratif a développé des émetteurs thermiques directionnels, appelés émetteurs AS, qui permettent un refroidissement radiatif diurne subambiant pour les surfaces verticales. Les résultats, intitulés « Refroidissement radiatif diurne subambiant des surfaces verticales », ont été publiés dans Science.
Défis du refroidissement radiatif
Le rayonnement thermique, un processus de transfert d'énergie clé dans la nature, présente traditionnellement des caractéristiques isotropes, incohérentes, à large bande et non polarisées. Il en résulte un échange de chaleur sans restriction entre le corps rayonnant et son environnement, limitant l'efficacité et la contrôlabilité du transfert de chaleur radiatif.
Les dispositifs de refroidissement radiatif conventionnels s'appuient sur de larges propriétés de rayonnement thermique, ce qui les rend efficaces principalement pour les surfaces horizontales ouvertes, telles que les toits. Ces surfaces maximisent l'exposition au ciel plus frais tout en minimisant les échanges thermiques avec le sol, l'environnement et les fenêtres atmosphériques non transparentes. Cependant, les surfaces verticales telles que les murs, les vêtements ou les côtés des véhicules sont confrontées à des angles de vue du ciel limités et à un échange thermique plus important avec les objets environnants, ce qui réduit considérablement l'efficacité du refroidissement. Les tentatives mondiales précédentes visant à contrôler le spectre ou les angles du rayonnement thermique ont eu du mal à relever les défis du refroidissement subambiant sur les surfaces verticales pendant la journée.
Approche et résultats innovants
L'équipe de recherche du CIOMP, dirigée par le professeur Li Wei, a utilisé la thermophotonique pour obtenir un contrôle angulaire et spectral simultané sur plusieurs bandes de longueurs d'onde. L’émetteur AS qu’ils ont conçu intègre des structures asymétriques à échelle croisée pour produire un rayonnement thermique angulairement asymétrique et spectralement sélectif. Cette innovation a permis un refroidissement radiatif diurne efficace pour les surfaces verticales.
Contributions clés :
Adaptation atmosphérique : reconnaissant que la transmissivité atmosphérique diminue avec l'augmentation des angles zénithals, l'équipe a conçu des émetteurs pour éloigner le rayonnement thermique des angles où la transmissivité atmosphérique est la plus faible.
Réflexion solaire et émission thermique : l'émetteur AS maximise la réflectance solaire et réalise une optimisation spectrale et angulaire dans la bande infrarouge pour une absorption thermique minimale.
Puissance de refroidissement élevée : la recherche a atteint une puissance de refroidissement d'environ 40 W/m² pour les surfaces verticales, surmontant les limitations imposées par l'exposition réduite au ciel et les interférences thermiques des objets environnants.
Fondements techniques :
Conception structurelle à plusieurs échelles : l'émetteur utilise des structures asymétriques pour obtenir une distribution de rayonnement spatial non réciproque.
Sélectivité spectrale : émission sur mesure dans la fenêtre de transparence atmosphérique.
Principes thermophotoniques : intégration de guides d'ondes, de résonance améliorée par les phonons et de conceptions brisant la symétrie.
Applications et implications
Cette avancée améliore l'application pratique du refroidissement radiatif, en particulier pour un contrôle climatique économe en énergie en milieu urbain et sur les infrastructures verticales. La recherche démontre également une grande flexibilité dans la manipulation photonique thermique, créant des opportunités pour :
Systèmes de refroidissement et de chauffage efficaces.
Technologies avancées de transport d’énergie.
Gestion thermique de haute précision dans les systèmes optiques et aérospatiaux.
Soutenus par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, les travaux mettent en valeur le potentiel de la thermophotonique pour relever les défis mondiaux en matière d’efficacité énergétique et de durabilité.