Une nouvelle céramique de refroidissement peut améliorer l’efficacité énergétique du secteur de la construction et contribuer à lutter contre le réchauffement climatique

Une avancée significative dans le développement d’un matériau de refroidissement radiatif passif (PRC) a été annoncée par des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU). Les résultats ont été publiés dans la revue Science dans un article intitulé « Céramique de refroidissement radiative passive structurée hiérarchiquement à haute réflectivité solaire ».

Le matériau, connu sous le nom de céramique de refroidissement, possède des propriétés optiques de haute performance pour une génération de refroidissement sans énergie et sans réfrigérant. Sa rentabilité, sa durabilité et sa polyvalence le rendent parfaitement adapté à une commercialisation dans de nombreuses applications, notamment dans la construction de bâtiments.

En réduisant la charge thermique des bâtiments et en fournissant des performances de refroidissement stables, même dans des conditions météorologiques diverses et sous tous les climats, la céramique de refroidissement améliore l’efficacité énergétique et peut lutter contre le réchauffement climatique.

La RPC est considérée comme l’une des technologies de refroidissement écologiques les plus prometteuses pour freiner la demande croissante de refroidissement des locaux, réduire la pollution de l’environnement et lutter contre le réchauffement climatique, selon le professeur Edwin Tso Chi-yan, professeur agrégé à l’École de l’énergie et de l’environnement (SEE) de CityU, l’un des auteurs correspondants de l’article.

Cependant, les PRC actuels utilisant des structures nanophotoniques sont limités par leur coût élevé et leur faible compatibilité avec les utilisations finales existantes, tandis que les alternatives photoniques polymères manquent de résistance aux intempéries et de réflexion solaire efficace.

Propriétés optiques et applicabilité améliorées

“Mais notre céramique de refroidissement atteint des propriétés optiques avancées et une applicabilité robuste”, a déclaré le professeur Tso. “La couleur, la résistance aux intempéries, la robustesse mécanique et la capacité à réduire l’effet Leidenfrost – un phénomène qui empêche le transfert de chaleur et rend inefficace le refroidissement du liquide sur la surface chaude – sont des caractéristiques clés garantissant la nature durable et polyvalente de la céramique de refroidissement.”

L’extraordinaire particularité de la céramique de refroidissement réside dans sa structure hiérarchiquement poreuse en tant que matériau céramique massif, qui est facilement fabriqué à l’aide de matériaux inorganiques hautement accessibles tels que l’alumine grâce à un processus simple en deux étapes impliquant une inversion de phase et un frittage. Aucun équipement délicat ni matériel coûteux n’est requis, ce qui rend la fabrication évolutive de céramiques de refroidissement hautement réalisable.

Les propriétés optiques déterminent les performances de refroidissement des matériaux PRC dans deux plages de longueurs d’onde : la plage solaire (0,25 à 2,5 µm) et la plage infrarouge moyenne (8 à 13 µm). Un refroidissement efficace nécessite une réflectivité élevée dans la première plage pour minimiser le gain de chaleur solaire et une émissivité élevée dans la dernière plage pour maximiser la dissipation thermique radiative. Grâce à la bande interdite élevée de l’alumine, la céramique de refroidissement maintient l’absorption solaire au minimum.

De plus, en imitant la bio-blancheur du coléoptère Cyphochilus et en optimisant la structure poreuse basée sur la diffusion de Mie, la céramique de refroidissement diffuse efficacement presque toute la longueur d’onde de la lumière solaire, ce qui entraîne une réflectivité solaire presque idéale de 99,6 % (un niveau élevé enregistré). réflectivité solaire) et atteint une émission thermique élevée dans l’infrarouge moyen de 96,5 %. Ces propriétés optiques avancées dépassent celles des matériaux de pointe actuels.

« La céramique de refroidissement est fabriquée en alumine, qui assure la dégradation souhaitée de la résistance aux UV, ce qui est une préoccupation typique de la plupart des conceptions PRC à base de polymères. Elle présente également une résistance au feu exceptionnelle en résistant à des températures supérieures à 1 000 °C, ce qui dépasse les capacités de la plupart des modèles. matériaux PRC à base de polymères ou à base de métal », a déclaré le professeur Tso.

Résistance exceptionnelle aux intempéries

Au-delà de ses performances optiques exceptionnelles, la céramique de refroidissement présente une excellente résistance aux intempéries, une stabilité chimique et une résistance mécanique, ce qui la rend idéale pour les applications extérieures à long terme.

À des températures extrêmement élevées, la céramique de refroidissement présente une superhydrophilie, permettant une propagation immédiate des gouttelettes et facilitant une imprégnation rapide des gouttelettes grâce à sa structure poreuse interconnectée. Cette caractéristique superhydrophile inhibe l’effet Leidenfrost qui entrave l’évaporation, que l’on trouve couramment dans les matériaux d’enveloppe de bâtiment traditionnels, et permet un refroidissement par évaporation efficace.

L’effet Leidenfrost est un phénomène qui se produit lorsqu’un liquide est mis en contact avec une surface nettement plus chaude que son point d’ébullition. Au lieu de s’évaporer immédiatement, le liquide forme une couche de vapeur qui l’isole du contact direct avec la surface. Cette couche de vapeur réduit le taux de transfert de chaleur et rend inefficace le refroidissement du liquide sur la surface chaude, provoquant la lévitation et le glissement du liquide sur la surface.

“La beauté de la céramique de refroidissement est qu’elle répond aux exigences à la fois du PRC haute performance et des applications dans des environnements réels”, a déclaré le professeur Tso, ajoutant que la céramique de refroidissement peut être colorée avec une conception à double couche, répondant ainsi aux exigences esthétiques. aussi.

« Notre expérience a révélé que l’application de céramique de refroidissement sur le toit d’une maison peut produire plus de 20 % d’électricité pour le refroidissement des locaux, ce qui confirme le grand potentiel de la céramique de refroidissement pour réduire la dépendance des gens aux stratégies de refroidissement actives traditionnelles et fournit une solution durable pour éviter le réseau électrique. surcharge, les émissions de gaz à effet de serre et les îlots de chaleur urbains”, a déclaré le professeur Tso.

Sur la base de ces résultats, le professeur Tso a déclaré que l’équipe de recherche avait l’intention de faire progresser d’autres stratégies de gestion thermique passive. Ils visent à explorer l’application de ces stratégies pour améliorer l’efficacité énergétique, promouvoir la durabilité et accroître l’accessibilité et l’applicabilité des technologies RPC dans divers secteurs, notamment le textile, les systèmes énergétiques et les transports.

Le professeur Wang Zuankai, professeur adjoint au Département de génie mécanique (MNE) de CityU et vice-président associé (recherche et innovation) à l’Université polytechnique de Hong Kong, est l’autre auteur correspondant. Le premier auteur, Lin Kaixin, et le deuxième auteur, Chen Siru, sont tous deux titulaires d’un doctorat. étudiants supervisés par le professeur Tso à l’École de l’énergie et de l’environnement de CityU.