Un réfrigérateur se refroidit en fléchissant des muscles artificiels
La nouvelle technologie repose sur un principe incroyablement simple
Il n'y a de place que pour une petite bouteille dans le premier réfrigérateur au monde refroidi par des muscles artificiels en nitinol, un alliage de nickel et de titane. Mais le mini-prototype que l'équipe des professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki présentera à la foire de Hanovre du 22 au 26 avril est révolutionnaire : il montre que l'élastocalorique devient une solution viable pour des applications pratiques. Cette technologie de refroidissement et de chauffage respectueuse du climat est beaucoup plus efficace sur le plan énergétique et durable que les méthodes actuelles. L'équipe de recherche développe la nouvelle technologie de chauffage et de refroidissement à l'université de la Sarre et au Centre de mécatronique et d'automatisation (ZeMa).
La nouvelle technologie, qui est maintenant intégrée dans un petit prototype de réfrigérateur compact, repose sur un principe incroyablement simple : la chaleur est évacuée d'un espace en étirant des fils et en les relâchant à nouveau. Appelés "muscles artificiels", les fils à mémoire de forme en nitinol superélastique absorbent la chaleur dans la chambre de refroidissement et la restituent à l'environnement extérieur. Notre procédé élastocalorique nous permet d'obtenir des différences de température d'environ 20 degrés Celsius sans utiliser de réfrigérants nocifs pour le climat et de manière beaucoup plus efficace sur le plan énergétique que les technologies conventionnelles actuelles", explique le professeur Stefan Seelecke, qui mène des recherches à l'université de la Sarre et au Centre de Sarrebruck pour la mécatronique et les technologies d'automatisation (ZeMa).
L'efficacité des matériaux élastocaloriques est plus de dix fois supérieure à celle des systèmes de climatisation ou des réfrigérateurs actuels. Le ministère américain de l'énergie et la Commission européenne ont déclaré que la technologie de refroidissement développée à Sarrebruck était l'alternative la plus prometteuse aux processus existants. Elle peut extraire la chaleur d'espaces beaucoup plus grands que la petite chambre de refroidissement que les ingénieurs utilisent actuellement pour démontrer l'élastocalorique à la foire de Hanovre. Elle peut également fournir de la chaleur à des espaces beaucoup plus grands. Le transfert de chaleur par les fils superélastiques fonctionne également pour les applications de chauffage. Compte tenu du changement climatique, des pénuries d'énergie et de la demande croissante de refroidissement et de chauffage, ce procédé représente une solution très prometteuse pour l'avenir.
Pour transporter la chaleur, les chercheurs utilisent le "superpouvoir" particulier des muscles artificiels en nitinol : la mémoire de forme. Les fils fabriqués dans cet alliage se souviennent de leur forme initiale et y reviennent après avoir été déformés ou étirés. Comme des muscles qui fléchissent, ils peuvent s'allonger puis se raccourcir, se tendre et se détendre. La raison en est à chercher au plus profond du nitinol, qui possède deux réseaux cristallins, c'est-à-dire deux phases qui peuvent se transformer l'une en l'autre. Contrairement à l'eau, dont les phases sont solide, liquide et gazeuse, les deux phases du nitinol sont solides. Lors de ces transitions de phase de la structure cristalline, les fils absorbent de la chaleur et la restituent : "Le matériau à mémoire de forme restitue de la chaleur lorsqu'il est étiré dans un état superélastique et absorbe de la chaleur lorsqu'il est relâché", explique le professeur Paul Motzki, qui occupe une chaire interinstitutionnelle à l'université de la Sarre et à la ZeMa, où il dirige le groupe de recherche "Smart Material Systems" (systèmes de matériaux intelligents). L'effet s'intensifie si de nombreux fils sont regroupés - en raison de leur plus grande surface, ils absorbent et libèrent davantage de chaleur.
Bien que le principe puisse sembler très simple à première vue, les questions de recherche qui doivent être abordées pour construire un circuit de refroidissement sont très complexes. Dans le mini-frigo que l'équipe de recherche présente actuellement à Hanovre, une came d'entraînement brevetée, spécialement conçue, fait tourner en continu des faisceaux de fils de nitinol de 200 microns d'épaisseur autour d'une chambre de refroidissement circulaire : "Lorsqu'ils se déplacent en cercle, ils sont mécaniquement chargés d'un côté, c'est-à-dire étirés, et déchargés de l'autre", explique Lukas Ehl, doctorant, qui travaille sur le système de refroidissement. L'air est acheminé à travers les faisceaux en rotation jusqu'à la chambre de refroidissement, où les fils sont déchargés et absorbent la chaleur de l'air. L'air circule ensuite en continu autour des fils non chargés dans la chambre de refroidissement. En continuant à tourner, les fils transportent la chaleur hors de la chambre de refroidissement et la restituent lorsqu'ils sont étirés à l'extérieur de celle-ci. Cette méthode permet de refroidir la chambre de refroidissement à environ 10-12 degrés Celsius", explique l'étudiant Nicolas Scherer, qui effectue des recherches sur ce projet dans le cadre de son mémoire de maîtrise.
Les ingénieurs de Sarrebruck étudient comment l'entraînement maintient les fils en mouvement permanent, à quoi ressemblent les flux d'air, comment les processus sont les plus efficaces, combien de fils ils doivent regrouper, quelle force ils devraient idéalement étirer pour un certain niveau de refroidissement et bien plus encore. Ils ont également mis au point un logiciel qui leur permet d'adapter la technologie de chauffage et de refroidissement à différentes applications et de simuler et planifier des systèmes de refroidissement. Enfin, ils étudient l'ensemble du cycle, depuis la production et le recyclage des matériaux jusqu'à la production.
Les réfrigérateurs ne sont qu'un début. Nous voulons exploiter le potentiel d'innovation de l'élastocalorique dans un large éventail d'applications, telles que le refroidissement industriel, le refroidissement des véhicules électriques pour faire progresser l'e-mobilité et les appareils électroménagers", explique Paul Motzki.
La nouvelle technologie est le résultat de plus d'une décennie de recherche dans le cadre de plusieurs projets de recherche d'un million d'euros et de plusieurs thèses de doctorat primées. Les projets ont été financés en partie par l'Union européenne et la Fondation allemande pour la recherche (DFG). Le ministère fédéral de l'éducation et de la recherche investit plus de 17 millions d'euros dans le projet DEPART!Saar, dans lequel les chercheurs collaborent avec d'autres institutions de recherche et des partenaires industriels. L'objectif est de créer de nouveaux formats de transfert de technologie et d'accélérer la mise sur le marché. Dans le cadre de plusieurs projets de recherche et de thèses de doctorat, les ingénieurs ont également mis au point un démonstrateur de refroidissement et de chauffage qui fonctionne en continu et montre comment l'élastocalorique peut refroidir et chauffer l'air.
À la foire de Hanovre, les experts de Sarrebruck en systèmes de matériaux intelligents démontreront également la polyvalence de leur technologie de mémoire de forme sous la forme d'entraînements miniatures intelligents, de pinces robotiques à haut rendement énergétique et de bras robotiques souples en forme de troncs d'éléphants.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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