Infos pour
Accès direct
UFR
Du 20 au 24 avril, ils présenteront leurs dernières avancées à la Foire de Hanovre (hall 11, stand D41).
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Ces cubes brillants aux formes géométriques variées ressemblent à des objets de décoration élégants. Mais l'esthétique de ces mini-œuvres d'art imprimées en 3D n'est pour les chercheurs qu'un effet secondaire accessoire. Ce que les techniciens de fabrication de l'équipe du professeur Dirk Bähre développent en collaboration avec les experts en systèmes de matériaux intelligents du professeur Paul Motzki est tout sauf un simple plaisir pour les yeux. « Il s'agit de la prochaine étape de développement de la technologie climatique Elastokalorik. Avec ces nouvelles structures, nous en sommes encore au stade de la recherche fondamentale, mais nous travaillons à faire évoluer rapidement cette technologie pour qu'elle soit prête à être mise en pratique », explique Paul Motzki. Les nouvelles géométries destinées aux moyens de refroidissement et de chauffage doivent, grâce à une surface aussi grande que possible à l'intérieur comme à l'extérieur, apporter un effet de refroidissement et de chauffage maximal.
La technologie climatique « Elastokalorik » ne nécessite aucun réfrigérant nocif pour le climat pour le refroidissement, ni d’huile ou de gaz pour le chauffage. Les agents de refroidissement et de chauffage sont ici des matériaux constitués d’un alliage à mémoire de forme nickel-titane : jusqu’à présent, l’équipe de Paul Motzki, de l’Université de la Sarre, a mené des recherches sur des faisceaux de fils fins comme des cheveux et de fines tôles en cet alliage. Celles-ci dégagent de la chaleur lorsqu'on les étire ou les comprime, et en absorbent lorsqu'on les relâche. Les ingénieurs exploitent ce principe pour transporter la chaleur d'un endroit à un autre, par exemple hors d'une chambre froide. Les ingénieurs de l’Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et de technologie de l’automatisation (ZeMA) de Sarrebruck mènent des recherches depuis plus de 15 ans sur la possibilité de refroidir et de chauffer de manière écologique et économe en énergie des voitures, des maisons ou des installations industrielles grâce à ce principe simple. Au salon de Hanovre, ils montrent à quel point cette technologie est déjà proche de la mise en application : elle a désormais dépassé le stade de la recherche fondamentale pure.
Comment les nouveaux matériaux refroidissent
Le refroidissement et le chauffage consomment aujourd’hui d’énormes quantités d’énergie à l’échelle mondiale – et avec le changement climatique, cette tendance ne fait que s’accentuer. L’élastocalorique promet un rendement nettement supérieur à celui des méthodes traditionnelles de refroidissement et de chauffage. Cette technologie de climatisation est aussi propre que l'électricité qui l'alimente. La Commission européenne considère cette technologie comme « l'alternative la plus prometteuse » aux procédés traditionnels, et le Forum économique mondial l'a classée parmi les « dix technologies émergentes les plus prometteuses ». Elle repose sur les propriétés particulières du nickel-titane : cet alliage se comporte différemment des métaux courants lorsqu'il est déformé.
Le matériau possède une mémoire de forme : le nickel-titane présente deux phases qui peuvent se transformer l’une en l’autre, c’est-à-dire qui, au sens figuré, se « souviennent » l’une de l’autre. Le changement de phase entraîne un transfert de chaleur. « À température ambiante, l’alliage se trouve dans une phase à haute température. Par traction ou compression, nous le forçons mécaniquement à passer en phase basse température. Ce faisant, de la chaleur est dégagée et le matériau se réchauffe. Une fois que le matériau a atteint la température ambiante, nous le relâchons : il repasse en phase haute température et, ce faisant, absorbe la chaleur de l’environnement : le matériau se refroidit », explique Paul Motzki pour décrire le processus de refroidissement. En résumé : lorsqu’un fil de nickel-titane est étiré, il dégage de la chaleur vers l’air ou le liquide qui circule ; lorsqu’il est relâché, il absorbe de la chaleur. Cet étirement suivi d’un relâchement, c’est-à-dire la déformation mécanique, est le principe clé de cette nouvelle technologie. Elle ne nécessite pas de capteurs supplémentaires. Le matériau lui-même possède des propriétés de capteur. « Chaque déformation des fils peut être associée à une valeur de mesure concrète de la résistance électrique. Les valeurs mesurées nous permettent de déterminer comment le matériau se déforme à ce moment-là. Un capteur de position est ainsi directement intégré », explique Motzki.
Les chercheurs de Sarrebruck tentent d'obtenir une puissance de refroidissement et de chauffage maximale en maximisant la surface. En effet, plus la surface est grande, plus le transfert de chaleur vers le milieu concerné (l'air ou l'eau) est efficace. Alors que Motzki et son équipe augmentaient jusqu'à présent la surface en regroupant de nombreux fils à mémoire de forme, de nouveaux dispositifs de refroidissement et de chauffage doivent désormais offrir une surface de contact aussi grande que possible pour l'effet de refroidissement et de chauffage grâce à une structure géométrique poreuse à l'intérieur. À cette fin, le groupe de travail de Paul Motzki, en collaboration avec l'équipe de Dirk Bähre, développe des formes complexes en nickel-titane à travers lesquelles l'air ou l'eau peuvent circuler pour absorber et restituer de la chaleur. Les chercheurs peaufinent la conception optimale de ces structures filigranes. Pour les expériences, l'alliage est imprimé couche par couche à l'aide d'une imprimante 3D. Des tests permettront de déterminer quelles formes complexes se prêtent le mieux au refroidissement et au chauffage.
Comment les équipes de recherche préparent cette technologie pour une utilisation pratique
Parallèlement, Paul Motzki et son équipe s’emploient à perfectionner l’élastocalorique en vue d’une application pratique. En tant que système de refroidissement fonctionnant par traction ou par pression, ces matériaux devraient à l’avenir être utilisés en continu dans les réfrigérateurs et les groupes frigorifiques. « Nous travaillons sur des matériaux robustes et une conception qui fasse ses preuves en fonctionnement continu, y compris en termes de maintenance. Nous prenons en compte ces questions dès la phase de développement – c’est notre approche fondamentale dans la recherche, mais aussi dans les cursus de l’Université de la Sarre, notamment en Systems Engineering ou en matériaux et ingénierie durables », explique Paul Motzki qui, tout comme Dirk Bähre, implique de nombreux doctorants, mais aussi des étudiants de premier cycle, dans cette recherche.
D'une part, les équipes d'ingénieurs mènent des expériences pour déterminer comment solliciter les matériaux de manière à ce qu'ils durent longtemps. Pour cela, elles harmonisent les propriétés des matériaux et les rythmes de traction et de compression. « Nous voulons par exemple atteindre une durée de vie de plus d'un million de cycles pour les faisceaux de fils », explique Paul Motzki. Mais à un moment donné, même le meilleur matériau finit par se fatiguer. « C’est pourquoi nous travaillons d’autre part sur un changement de matériau simple et rapide. Pour cela, nous concevons les composants techniques de manière à ce qu’ils puissent être facilement remplacés. C’est aussi de cette optimisation de la maintenance que dépendra l’imposition de cette nouvelle technologie de refroidissement dans la pratique », souligne Motzki.
Subventions et projets en cours dans le domaine de l'élastocalorique
Dans le cadre du programme de financement « T!Raum », le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l'Espace soutient le projet « DEPART!Saar » à hauteur de 18 millions d'euros. L'objectif est d'accélérer la mise en application de l'élastocalorique grâce au développement de structures de transfert régionales et de renforcer ainsi l'économie sarroise. Parallèlement, des prototypes de systèmes de refroidissement pour voitures électriques voient le jour dans le cadre du projet SmartCool, financé par le ministère fédéral de l'Économie : Volkswagen AG, le Fraunhofer IPM et la société Ingpuls collaborent ici avec l'équipe de Paul Motzki pour développer des composants légers et économes en énergie. Dans le cadre d’un autre projet de recherche, l’équipe de recherche développe, en collaboration avec des partenaires européens, un système de climatisation destiné à refroidir et à chauffer les logements de manière décentralisée. Pour ce projet, le consortium dirigé par Paul Motzki reçoit quatre millions d’euros dans le cadre du « EIC Pathfinder Challenge » du Conseil européen de l’innovation. Grâce à une autre « ERC Starting Grant » du Conseil européen de la recherche, Motzki et son équipe s'efforcent de faire progresser l'élastocalorique avec une combinaison technologique, également inédite à l'échelle mondiale, de matériaux à mémoire de forme et d'entraînements à film intelligent : les élastomères diélectriques constituent la deuxième technologie des matériaux dans laquelle Paul Motzki s'est spécialisé.
Au salon de Hanovre, les chercheurs présentent cette technologie et recherchent des partenaires issus de l'industrie et de la recherche afin de développer l'élastocalorique pour d'autres applications – des appareils ménagers au refroidissement industriel. Le prototype fonctionnel du premier mini-réfrigérateur à élastocalorique, qui refroidit une canette à des fins de démonstration, sera notamment de nouveau présent au salon. Ici, des faisceaux de fils de nickel-titane d’environ 200 micromètres d’épaisseur tournent autour d’une chambre de refroidissement circulaire. Ils sont tendus d’un côté et relâchés de l’autre. L’air circule le long des fils et évacue la chaleur hors de la chambre de refroidissement.
Stand collectif « Germany’s Saarland » Hall 11, stand D41.
Réponses aux questions :
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki, titulaire de la chaire de systèmes matériaux intelligents pour une production innovante à l’Université de la Sarre et directeur général du Centre de mécatronique et de technologie de l’automatisation (ZeMA)
Tél. : +49 (681) 85787-13 ; e-mail : paul.motzki@uni-saarland.de
Photos de presse à télécharger :
Vous pouvez utiliser les photos de presse gratuitement dans le cadre de ce communiqué de presse et des reportages sur l'Université de la Sarre, à condition de mentionner le nom du photographe.
