Des chercheurs développent de nouveaux aérogels pour le refroidissement radiatif et l'absorption des ondes électromagnétiques

Les aérogels, connus pour leur porosité et leur faible densité, sont des matériaux solides qui offrent des fonctionnalités polyvalentes, allant de l'absorption de globules gras dans les suppléments de gestion du poids à la facilitation de processus de recyclage des métaux plus durables.

Traditionnellement utilisé pour fournir une isolation thermique dans l'industrie aérospatiale, les scientifiques de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont poussé ce matériau à un niveau supérieur en exploitant ses propriétés uniques pour apporter de la valeur à de nombreuses applications dans le bâtiment et la construction, l'assainissement de l'environnement et l'administration de médicaments. , et même des vêtements et textiles.

Dans un effort pionnier, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Duong Hai-Minh du Département de génie mécanique du NUS College of Design and Engineering, a développé des aérogels pour deux nouvelles applications : le refroidissement radiatif et l'absorption des ondes électromagnétiques (EMW).

En utilisant des déchets plastiques, l’équipe a conçu des aérogels en couches minces qui fonctionnent comme des isolants thermiques et des refroidisseurs radiatifs. Ces aérogels peuvent être appliqués sur n'importe quelle surface, telle que les toits des bâtiments, pour réduire les températures internes, offrant ainsi une solution évolutive et durable pour une gestion thermique sans énergie. Les découvertes de l'équipe ont été publiées dans la revue Énergie solaire le 15 mai 2024.

Dans une autre étude, publiée dans la revue Carbone le 10 février 2024, les chercheurs du NUS ont conçu une méthode simple et évolutive pour produire des aérogels qui absorbent les EMW dans la bande X, caractéristiques de ceux utilisés dans la surveillance météorologique et le contrôle du trafic aérien. Ces aérogels légers et durables protègent contre la pollution électromagnétique, protégeant à la fois les humains et les équipements sensibles dans notre monde de plus en plus numérique.

Les travaux des chercheurs s'appuient sur leurs succès antérieurs dans le développement d'aérogels à partir d'une variété de déchets, depuis les plastiques et le papier jusqu'aux sous-produits agricoles tels que les feuilles d'ananas.

Aérogels pour le refroidissement radiatif

Les systèmes de refroidissement traditionnels, tels que les climatiseurs, ont un appétit vorace en énergie, représentant environ 20 % de l’électricité utilisée dans les bâtiments dans le monde. Les nouveaux aérogels développés par l'équipe NUS présentent une alternative de refroidissement passif, tirant parti du processus naturel de refroidissement radiatif pour dissiper la chaleur dans l'espace sans consommer d'énergie.

“Ce processus implique l'utilisation d'aérogels spécialement conçus pour émettre un rayonnement infrarouge à travers la “fenêtre du ciel” atmosphérique, refroidissant ainsi efficacement les températures de surface en dessous des niveaux ambiants”, a déclaré Assoc. Professeur Duong. “Nous sommes ravis de pouvoir recycler les fibres des bouteilles jetables en polyéthylène téréphtalate (PET) pour les nouveaux aérogels conçus à cet effet, afin de contribuer à résoudre la crise mondiale des déchets plastiques.”

Auparavant, l'équipe avait travaillé avec des fibres PET pour produire des aérogels, mais cette dernière méthode est nettement plus économe en énergie, consommant environ 97 % d'énergie en moins et réduisant le temps de production de 96 %.

Lors d'un test dans le climat chaud de Singapour, mené en collaboration avec le Dr Jaesuk Hwang du Centre des technologies quantiques de NUS, 0,5 centimètre du matériau a produit un effet de refroidissement de 2°, obtenu en émettant de la chaleur infrarouge dans l'environnement tout en présentant une bonne isolation thermique. , empêchant l'absorption de la chaleur de l'environnement.

“Ces aérogels pourraient réduire la consommation d'énergie dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, en particulier dans les climats tropicaux où le refroidissement est désormais une nécessité”, a ajouté Assoc. Professeur Duong.

Les recherches futures se concentreront sur l'adaptation de ces aérogels à diverses conditions climatiques et sur l'extension de leurs applications au-delà de l'isolation des bâtiments, par exemple dans les processus industriels où la gestion thermique efficace des canalisations de circulation de liquides est cruciale.

Aérogels pour l'absorption des ondes électromagnétiques

Les appareils électroniques modernes émettent des EMW qui peuvent perturber les équipements à proximité et présenter des risques pour la santé, notamment des dommages à l'ADN et le cancer. Il est donc essentiel de développer des matériaux capables d’absorber efficacement les EMW afin de protéger les humains et les infrastructures de ces effets néfastes. Les applications incluent l’amélioration de la confidentialité et de la sécurité des bâtiments ainsi que la protection des équipements médicaux sensibles.

Pour répondre à ce besoin, Assoc. L'équipe du professeur Duong a développé une procédure évolutive et respectueuse de l'environnement pour produire de nouveaux aérogels efficaces pour l'absorption des EMW. Le processus consiste à mélanger trois composants principaux – des nanotubes de carbone, de l'alcool polyvinylique et de la carboxyméthylcellulose – suivi d'une lyophilisation.

L'aérogel, d'une épaisseur d'environ 3 millimètres, soit environ la largeur de 40 mèches de cheveux humains, a démontré une performance impressionnante en absorbant 99,99 % de l'énergie EMW. Sur l’ensemble de la bande X (8,2-12,4 GHz) du spectre électromagnétique, utilisée principalement pour les systèmes radar, la surveillance météorologique et le contrôle du trafic aérien, l’aérogel a systématiquement montré sa capacité à absorber 90 % de l’énergie EMW.

“En plus d'offrir une large bande passante d'absorption de 1,2 à 2,2 GHz dans la bande X, notre aérogel est également environ 10 fois plus léger que les composites existants utilisés pour l'absorption EMW”, a ajouté Assoc. Professeur Duong. “Contrairement à d'autres composites, notre aérogel ne nécessite aucun mélange avec des charges polymères lourdes avant utilisation.”

Les chercheurs ont estimé que la production d’un mètre carré d’aérogel d’une épaisseur de 1 centimètre coûte moins de 100 dollars singapouriens. Ce coût est nettement inférieur au prix d'autres matériaux commerciaux similaires, qui peuvent aller de 180 dollars singapouriens à plus de 1 000 dollars singapouriens.

Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’affiner les propriétés mécaniques de l’aérogel, telles que la flexibilité, afin d’élargir son applicabilité à divers projets de bâtiments et d’infrastructures. Les chercheurs visent également à effectuer des tests réels pour évaluer pleinement les capacités d’absorption EMW des aérogels dans des scénarios pratiques.