L’été bat son plein aux États-Unis et les gens allument leurs climatiseurs pour combattre la chaleur. Mais les réfrigérants hydrofluorocarbonés de ces dispositifs de refroidissement et d’autres sont de puissants gaz à effet de serre et les principaux moteurs du changement climatique. Aujourd’hui, les scientifiques rapportent un prototype d’appareil qui pourrait un jour remplacer les « A/C » existants. Il est beaucoup plus écologique et utilise des réfrigérants solides pour refroidir efficacement un espace.
Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd’hui lors de la réunion d’automne de l’American Chemical Society (ACS).
« Le simple fait d’installer un climatiseur ou d’en jeter un est un énorme moteur du réchauffement climatique », déclare Adam Slavney, Ph.D., qui présente ce travail lors de la réunion. Les réfrigérants utilisés dans ces systèmes sont des milliers de fois plus puissants que le dioxyde de carbone et peuvent accidentellement s’échapper des systèmes lorsqu’ils sont manipulés ou éliminés.
Les systèmes de refroidissement traditionnels, tels que les climatiseurs, fonctionnent en faisant passer un réfrigérant entre un gaz et un liquide. Lorsque le liquide devient un gaz, il se dilate et absorbe la chaleur, refroidissant une pièce ou l’intérieur d’un réfrigérateur. Un compresseur qui fonctionne à environ 70 à 150 livres par pouce carré (psi) transforme le gaz en liquide, libérant de la chaleur. Dans le cas des climatiseurs, cette chaleur est dirigée vers l’extérieur de la maison. Bien que ce cycle soit efficace, les préoccupations concernant le changement climatique et les réglementations plus strictes sur les réfrigérants hydrofluorocarbonés stimulent la recherche de réfrigérants plus respectueux de l’environnement.
Les réfrigérants solides pourraient être une solution idéale. Contrairement aux gaz, les solides ne fuiront pas dans l’environnement à partir des unités A/C. Une classe de réfrigérants solides, appelés matériaux barocaloriques, fonctionne de manière similaire aux systèmes de refroidissement gaz-liquide traditionnels. Ils utilisent des changements de pression pour passer par des cycles de chaleur, mais dans ce cas, la pression entraîne un changement de phase solide à solide. Cela signifie que le matériau reste un solide, mais que la structure moléculaire interne change. L’aspect structurel clé de ces matériaux solides barocaloriques est qu’ils contiennent de longues chaînes moléculaires flexibles qui sont généralement souples et désordonnées. Mais sous la pression, les chaînes deviennent plus ordonnées et rigides, un changement qui dégage de la chaleur. Le processus de passage d’une structure ordonnée à une structure détendue est comme faire fondre de la cire, mais sans qu’elle devienne liquide, explique Jarad Mason, Ph.D., chercheur principal du projet, qui est à l’Université de Harvard. Lorsque la pression est relâchée, le matériau réabsorbe la chaleur, complétant le cycle.
Un inconvénient des systèmes barocaloriques, cependant, est que la plupart de ces matériaux nécessitent des pressions massives pour entraîner des cycles thermiques. Pour produire ces pressions, les systèmes ont besoin d’un équipement spécialisé coûteux qui n’est pas pratique pour les applications de refroidissement réelles. Mason et son équipe ont récemment signalé des matériaux barocaloriques qui peuvent agir comme réfrigérants à des pressions beaucoup plus basses. Ils ont maintenant montré que les réfrigérants, appelés pérovskites aux halogénures métalliques, peuvent fonctionner dans un système de refroidissement qu’ils ont construit à partir de zéro. « Les matériaux que nous avons signalés peuvent fonctionner à environ 3 000 psi, qui sont des pressions auxquelles un système hydraulique typique peut fonctionner », explique Slavney.
L’équipe a maintenant construit un prototype unique en son genre qui démontre l’utilisation de ces nouveaux matériaux dans un système de refroidissement pratique. L’appareil comporte trois parties principales. L’un est un tube métallique rempli de réfrigérant solide et d’un liquide inerte, de l’eau ou de l’huile. Une autre pièce de l’appareil est un piston hydraulique qui applique une pression sur le liquide. Enfin, le liquide aide à transférer cette pression au réfrigérant et aide à transporter la chaleur dans le système.
Après avoir résolu plusieurs défis d’ingénierie, l’équipe a montré que les matériaux barocaloriques fonctionnent comme des réfrigérants fonctionnels, transformant les changements de pression en cycles complets de changement de température. « Notre système n’utilise toujours pas des pressions aussi basses que celles des systèmes de réfrigération commerciaux, mais nous nous en rapprochons », déclare Mason. À la connaissance de l’équipe, il s’agit du premier système de refroidissement fonctionnel utilisant des réfrigérants à l’état solide qui dépendent des changements de pression.
Avec l’appareil maintenant en main, l’équipe prévoit de tester une variété de matériaux barocaloriques. « Nous espérons vraiment utiliser cette machine comme banc d’essai pour nous aider à trouver des matériaux encore meilleurs », déclare Slavney, y compris ceux qui fonctionnent à des pressions plus basses et qui conduisent mieux la chaleur. Avec un matériau optimal, les chercheurs pensent que les réfrigérants à l’état solide pourraient devenir un remplacement viable pour la climatisation actuelle et d’autres technologies de refroidissement.
Matériaux pour un refroidissement barocalorique à l’état solide pratique : Un chimiste (ré)invente un climatiseur, ACS Automne 2022. www.acs.org/content/acs/en/mee … tings/automne-2022.html