Refroidissement par évaporation et rayonnement : aucune puissance requise (mais l'aérogel doit être moins cher)

28 septembre 2022 par David Chandler

Il est bien connu que l'évaporation et le rayonnement sont deux façons de garder quelque chose au frais.David Chandler au MITexplique comment les chercheurs y ont créé une expérienceCellule à 3 couches qui combine l'évaporation et le rayonnement avec un isolant pour fournir un refroidissement qui ne nécessite aucune alimentation . Il peut fournir environ9°C de refroidissement de la température ambiante, suffisamment pour permettre un stockage sûr des aliments pendant environ 40% plus longtemps dans des conditions très humides, et pourrait tripler le temps de stockage sûr dans des conditions plus sèches. Les applications sont idéales pourrégions éloignées hors réseaudu monde, mais aussi pourdécharger la climatisation existante . Le principal défi pour l'avenir est lacoût élevé de fabrication de la couche d'aérogel– un matériau constitué majoritairement d'air enfermé dans les cavités d'une structure spongieuse en polyéthylène.

Alors que le monde se réchauffe,l'utilisation de systèmes de climatisation gourmands en énergie devrait augmenter considérablement, mettant à rude épreuve les réseaux électriques existantsetcontournant de nombreux endroits avec peu ou pas d'alimentation électrique fiable . Aujourd'hui, un système innovant développé au MIT offre un moyen d'utiliser le refroidissement passif pour préserver les cultures vivrières et compléter les climatiseurs conventionnels dans les bâtiments, avecpas besoin d'électricité et seulement un petit besoin d'eau.

Le système, quicombine le refroidissement radiatif, le refroidissement par évaporation et l'isolation thermiquedans unboîtier mince qui pourrait ressembler à des panneaux solaires existants, peut fournir jusqu'à environ19 degrés Fahrenheit (9,3 degrés Celsius) de refroidissement à partir de la température ambiante , suffisamment pour permettre un stockage sûr des aliments pendant environ 40 pour cent de plus dans des conditions très humides. Cela pourrait tripler la durée de stockage en toute sécurité dans des conditions plus sèches.

Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revueRapports de cellule Sciences physiques, dans un article du postdoc du MITZhengmao Lu, Arny Leroy, professeurs Jeffrey Grossman et Evelyn Wang , et deux autres. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour réduire le coût d'un élément clé du système, les chercheurs affirment qu'un tel système pourrait éventuellement jouer un rôle important dansrépondre aux besoins de refroidissement de nombreuses régions du monde où le manque d'électricité ou d'eau limite l'utilisation de systèmes de refroidissement conventionnels.

Le système combine intelligemment les conceptions de refroidissement autonomes précédentes qui fournissent chacune des quantités limitées de puissance de refroidissement, afin de produire globalement plus de refroidissement - assez pouraider à réduire les pertes alimentaires dues à la détérioration dans les régions du monde qui souffrent déjà d'approvisionnements alimentaires limités . En reconnaissance de ce potentiel, l'équipe de recherche a été en partie soutenue par le MITLaboratoire des systèmes d'eau et d'alimentation d'Abdul Latif Jameel.

"Cette technologie combine certaines des bonnes caractéristiques des technologies précédentes telles que le refroidissement par évaporation et le refroidissement radiatif", a déclaré Lu. En utilisant cette combinaison, dit-il, "nous montrons que vous pouvez obtenir une prolongation significative de la durée de vie des aliments,même dans les zones où vous avez une humidité élevée », ce qui limite les capacités des systèmes de refroidissement par évaporation ou radiatifs conventionnels.

Dans les endroits qui ont des systèmes de climatisation existants dans les bâtiments, le nouveau système pourrait être utilisé pour réduire considérablement la charge sur ces systèmes enenvoyer de l'eau froide à la partie la plus chaude du système, le condenseur . "En abaissant la température du condenseur, vous pouvez augmenter efficacement l'efficacité du climatiseur, ce qui vous permet potentiellement d'économiser de l'énergie", explique Lu.

D'autres groupes ont également recherché des technologies de refroidissement passif, dit-il, mais "en combinant ces caractéristiques de manière synergique, nous sommes désormais en mesure d'atteindre des performances de refroidissement élevées, même dans les zones à forte humidité où la technologie précédente ne peut généralement pas bien fonctionner".

Deux échantillons de dispositifs de refroidissement passif ont été testés sur le toit du bâtiment 1 du MIT : à gauche, un échantillon du nouveau système, combinant refroidissement par évaporation, refroidissement radiatif et isolation. À droite, un appareil utilisant uniquement le refroidissement par évaporation, pour des tests de comparaison / Photo : avec l'aimable autorisation de Zhengmao Lu

Le système se compose detrois couches de matériau , qui assurent ensemble le refroidissement lorsque l'eau et la chaleur traversent l'appareil. En pratique, le dispositif pourrait ressembler à un panneau solaire classique, mais au lieu de fournir de l'électricité, il assurerait directement le refroidissement, par exemple enagissant comme le toit d'un conteneur de stockage de nourriture . Ou, il pourrait être utilisé pourenvoyer de l'eau réfrigérée à travers des tuyaux pour refroidir les parties d'un système de climatisation existant et améliorer son efficacité. Le seul entretien nécessaire estajouter de l'eau pour l'évaporation, mais la consommation est si faible que cela ne doit être fait qu'environ une fois tous les quatre jours dans les zones les plus chaudes et les plus sèches, et une seule fois par mois dans les zones les plus humides.

La couche supérieure est un aérogel , un matériau constitué principalement d'air enfermé dans les cavités d'une structure spongieuse en polyéthylène. Le matériel esttrès isolant mais laisse passer librement la vapeur d'eau et le rayonnement infrarouge . L'évaporation de l'eau (remontant de la couche inférieure) fournit une partie de la puissance de refroidissement, tandis que le rayonnement infrarouge, profitant de l'extrême transparence de l'atmosphère terrestre à ces longueurs d'onde,rayonne une partie de la chaleur directement dans l'air et dans l'espace - contrairement aux climatiseurs, qui crachent de l'air chaud dans l'environnement immédiat.

Sous l'aérogel se trouveune couche d'hydrogel - un autre matériau semblable à une éponge, mais dont les pores sont remplis d'eau plutôt que d'air . Il est similaire au matériau actuellement utilisé dans le commerce pour des produits tels que des tampons de refroidissement ou des pansements. Cela fournit la source d'eau pour le refroidissement par évaporation, car la vapeur d'eau se forme à sa surface et la vapeur passe à travers la couche d'aérogel et dans l'environnement.

En dessous,une couche semblable à un miroir reflète toute lumière solaire entrante qui l'a atteint , le renvoyant à travers l'appareil plutôt que de le laisser chauffer les matériaux et ainsi réduire leur charge thermique. Et la couche supérieure d'aérogel, étant un bon isolant, est également très réfléchissante solaire, limitant la quantité de chauffage solaire de l'appareil, même sous une forte lumière directe du soleil.

"La nouveauté ici est vraiment justeréunissant la fonction de refroidissement radiatif, la fonction de refroidissement par évaporation et également la fonction d'isolation thermique dans une seule architecture", explique Lu. Le système a été testé, en utilisant une petite version de seulement 4 pouces de diamètre, sur le toit d'un bâtiment du MIT, prouvant son efficacité même dans des conditions météorologiques sous-optimales, explique Lu, et atteignant 9,3 C de refroidissement (18,7 F).

"Le défi était auparavant que les matériaux évaporatifs ne gèrent souvent pas bien l'absorption solaire", dit Lu. "Avec ces autres matériaux, généralement lorsqu'ils sont sous le soleil, ils sont chauffés, de sorte qu'ils ne peuvent pas atteindre une puissance de refroidissement élevée à la température ambiante."

Les propriétés du matériau aérogel sont essentielles à l'efficacité globale du système, mais ce matériau est actuellement coûteux à produire, car ilnécessite un équipement spécial pour le séchage au point critique (CPD) pour éliminer lentement les solvants de la structure poreuse délicate sans l'endommager . La caractéristique clé qui doit être contrôlée pour fournir les caractéristiques souhaitées est lataille des pores dans l'aérogel , qui est fabriqué en mélangeant le polyéthylène avec des solvants, en le laissant durcir comme un bol de Jell-O, puis en en extrayant les solvants. L'équipe de recherche explore actuellement des moyens de rendre ce processus de séchage moins coûteux, par exemple en utilisant la lyophilisation, ou de trouver des matériaux alternatifs qui peuvent fournir la même fonction isolante à moindre coût, comme des membranes séparées par un espace d'air.

Alors que les autres matériaux utilisés dans le système sont facilement disponibles et relativement peu coûteux, dit Lu, "l'aérogel est le seul matériau qui est un produit du laboratoire qui nécessite un développement ultérieur en termes de production de masse" Et il est impossible de prédire combien de temps ce développement pourrait prendre avant que ce système puisse être rendu pratique pour une utilisation généralisée, dit-il.

Ce travail "représente une approche d'intégration système très intéressante et nouvelle des technologies de refroidissement passif", déclare Xiulin Ruan, professeur de génie mécanique à l'Université Purdue, qui n'était pas associé à cette recherche. Ruan ajoute : « En combinant le refroidissement par évaporation, le refroidissement radiatif et l'isolation, il a une meilleure performance de refroidissement et peut être efficace dans une plus large gamme de climats que le refroidissement par évaporation ou le refroidissement radiatif seul. Le travail pourrait attirer des applications pratiques importantes, comme dans la conservation des aliments, si le système peut être fabriqué à un coût raisonnable.

L'équipe de recherche comprenait Lenan Zhang du Département de génie mécanique du MIT et Jatin Patil du Département de science et génie des matériaux.

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David Chandlerest un écrivain de l'Institut àAVEC

Reproduit avec la permission deNouvelles du MIT

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