Inspiration économe en énergie de la peau de calmar

Inspirés par la peau dynamique aux couleurs changeantes d’organismes tels que les calmars, des chercheurs de l’Université de Toronto ont mis au point un système fluidique multicouche qui peut réduire les coûts énergétiques du chauffage, de la climatisation et de l’éclairage des bâtiments.

La plate-forme, qui optimise la longueur d’onde, l’intensité et la dispersion de la lumière transmise à travers les fenêtres, offre un contrôle bien supérieur à celui des technologies existantes tout en maintenant des coûts bas grâce à l’utilisation de composants simples et prêts à l’emploi.

“Les bâtiments utilisent une tonne d’énergie pour chauffer, refroidir et éclairer les espaces à l’intérieur”, explique Raphael Kay, qui a récemment obtenu une maîtrise en génie mécanique de la Faculté des sciences appliquées et de génie et est l’auteur principal d’un nouvel article publié dans la revue PNAS.

“Si nous pouvons contrôler stratégiquement la quantité, le type et la direction de l’énergie solaire qui pénètre dans nos bâtiments, nous pouvons réduire considérablement la quantité de travail que nous demandons aux radiateurs, aux refroidisseurs et aux lumières.”

Actuellement, certaines technologies de construction « intelligentes » telles que les stores automatiques ou les fenêtres électrochromiques, qui modifient leur opacité en réponse à un courant électrique, peuvent être utilisées pour contrôler la quantité de lumière solaire qui pénètre dans la pièce. Mais Kay dit que ces systèmes sont limités : ils ne peuvent pas faire la distinction entre différentes longueurs d’onde de lumière, ni contrôler la façon dont cette lumière est distribuée dans l’espace.

“La lumière du soleil contient de la lumière visible, qui a un impact sur l’éclairage du bâtiment, mais elle contient également d’autres longueurs d’onde invisibles, telles que la lumière infrarouge, que nous pouvons considérer essentiellement comme de la chaleur”, dit-il.

« Au milieu de la journée en hiver, vous voudriez probablement laisser entrer les deux, mais au milieu de la journée en été, vous voudriez laisser entrer uniquement la lumière visible et non la chaleur. Les systèmes actuels peuvent généralement “Je ne fais pas ça – ils bloquent les deux ou aucun. Ils n’ont pas non plus la capacité de diriger ou de disperser la lumière de manière bénéfique.”

Développé par Kay et une équipe dirigée par le professeur agrégé Ben Hatton, le système exploite la puissance de la microfluidique pour offrir une alternative. L’équipe comprenait également un doctorat. le candidat Charlie Katrycz, tous deux du département de science et génie des matériaux, et Alstan Jakubiec, professeur adjoint à la faculté d’architecture, de paysage et de design John H. Daniels.

Les prototypes sont constitués de feuilles plates de plastique imprégnées d’un réseau de canaux d’un millimètre d’épaisseur à travers lesquels les fluides peuvent être pompés. Des pigments, des particules ou d’autres molécules personnalisés peuvent être mélangés dans les fluides pour contrôler le type de lumière qui passe – comme les longueurs d’onde visibles par rapport aux infrarouges proches – et dans quelle direction cette lumière est ensuite distribuée.

Ces feuilles peuvent être combinées dans un empilement multicouche, chaque couche étant responsable d’un type différent de fonction optique : contrôler l’intensité, filtrer la longueur d’onde ou régler la diffusion de la lumière transmise à l’intérieur. En utilisant de petites pompes à commande numérique pour ajouter ou retirer des fluides de chaque couche, le système peut optimiser la transmission de la lumière.

“C’est simple et peu coûteux, mais cela permet également un contrôle combinatoire incroyable. Nous pouvons concevoir des façades de bâtiments dynamiques à l’état liquide qui font pratiquement tout ce que vous aimeriez faire en termes de propriétés optiques”, déclare Kay.

Le travail s’appuie sur un autre système qui utilise des pigments injectés, développé par la même équipe plus tôt cette année. Alors que cette étude s’est inspirée des capacités de changement de couleur des arthropodes marins, le système actuel est plus analogue à la peau multicouche du calmar.

De nombreuses espèces de calmars ont une peau qui contient des couches empilées d’organes spécialisés, notamment des chromatophores, qui contrôlent l’absorption de la lumière, et des iridophores, qui ont un impact sur la réflexion et l’irisation. Ces éléments adressables individuellement fonctionnent ensemble pour générer des comportements optiques uniques qui ne sont possibles que grâce à leur fonctionnement combiné.

Alors que les chercheurs de l’Université de Toronto se concentraient sur les prototypes, Jakubiec a construit des modèles informatiques détaillés qui analysaient l’impact énergétique potentiel de la couverture d’un bâtiment hypothétique dans ce type de façade dynamique.

Les modèles ont été informés par les propriétés physiques mesurées à partir des prototypes. L’équipe a également simulé divers algorithmes de contrôle pour activer ou désactiver les couches en réponse aux conditions ambiantes changeantes.

“Si nous n’avions qu’une seule couche qui se concentre sur la modulation de la transmission de la lumière proche infrarouge, donc sans même toucher la partie visible du spectre, nous constatons que nous pourrions économiser environ 25 % par an sur l’énergie de chauffage, de refroidissement et d’éclairage par rapport à une énergie statique. de base », explique Kay.

“Si nous avons deux couches, infrarouge et visible, c’est plutôt 50 %. Ce sont des économies très importantes.”

Dans l’étude la plus récente, les algorithmes de contrôle ont été conçus par des humains, mais Hatton souligne que le défi de les optimiser serait une tâche idéale pour l’intelligence artificielle – une orientation future possible pour la recherche.

“L’idée d’un bâtiment qui peut apprendre – qui peut ajuster lui-même ce réseau dynamique pour optimiser les changements saisonniers et quotidiens des conditions solaires – est très excitante pour nous”, a déclaré Hatton.

“Nous travaillons également sur la façon d’étendre cela efficacement afin que vous puissiez couvrir tout un bâtiment. Cela demandera du travail, mais étant donné que tout cela peut être fait avec des matériaux simples, non toxiques et peu coûteux, c’est un défi qui peut être résolu.”

Hatton espère également que l’étude encouragera d’autres chercheurs à réfléchir de manière plus créative à de nouvelles façons de gérer l’énergie dans les bâtiments.

“Globalement, la quantité d’énergie consommée par les bâtiments est énorme – c’est même plus que ce que nous dépensons pour la fabrication ou le transport”, dit-il. “Nous pensons que la fabrication de matériaux intelligents pour les bâtiments est un défi qui mérite beaucoup plus d’attention.”