Les muscles artificiels assurent un refroidissement durable

Nouvelle technologie de climatisation : les muscles artificiels assurent un refroidissement durable

La toute première machine qui refroidit l’air à l’aide de “muscles” en nickel-titane. Felix Welsch et Susanne Marie Kirsch ont aidé à développer le système de refroidissement dans le cadre de leurs projets de recherche doctorale. Le nouveau type de technologie de refroidissement économe en énergie et écologiquement durable qui ne nécessite pas l’utilisation de réfrigérants nocifs pour le climat est actuellement développé par le professeur Stefan Seelecke et son équipe à l’Université de la Sarre. Crédit : Oliver Dietze

Un nouveau type de technologie de refroidissement économe en énergie et écologiquement durable qui ne nécessite pas l’utilisation de réfrigérants nocifs pour le climat est actuellement développé par le professeur Stefan Seelecke et son équipe à l’Université de la Sarre. La nouvelle technologie utilise des matériaux à mémoire de forme également connus sous le nom de “muscles artificiels”. Ces matériaux sont capables de transporter la chaleur en chargeant et en déchargeant des fils de nickel-titane. L’équipe de Seelecke développe actuellement la technologie à utiliser dans les systèmes de refroidissement des véhicules électriques. Les chercheurs ont présenté leur technologie à la Hannover Messe, présentant la première machine au monde capable de refroidir l’air en fléchissant des muscles artificiels.

De l’humble réfrigérateur et climatiseur aux systèmes de refroidissement complexes utilisés dans les processus industriels, le maintien au frais est une partie importante de la société d’aujourd’hui. Le réchauffement climatique et une population mondiale croissante signifient que le besoin de systèmes de refroidissement économes en énergie ne fera que croître. Mais les basses températures signifient généralement une forte consommation d’électricité, ce qui signifie généralement une empreinte carbone élevée et le risque d’émissions de gaz réfrigérants qui ont souvent un potentiel de réchauffement global élevé. Une équipe de recherche de partenaires universitaires et industriels dirigée par le professeur Stefan Seelecke de l’Université de la Sarre et le Centre de technologie mécatronique et d’automatisation (ZeMA) développe actuellement un système de refroidissement respectueux de l’environnement.

“Notre procédé est économe en énergie et ne nécessite pas l’utilisation de fluides frigorigènes nocifs pour le climat. En fait, notre technologie est jusqu’à 15 fois plus efficace que les systèmes basés sur des fluides frigorigènes conventionnels”, a expliqué Stefan Seelecke. La Commission européenne et le Département de l’énergie des États-Unis ont tous deux évalué le nouveau procédé et le considèrent comme l’alternative la plus prometteuse à la technologie de réfrigération à compression de vapeur utilisée aujourd’hui.

L’équipe de Seelecke a développé le premier prototype au monde fonctionnant en continu qui refroidit l’air à l’aide de ce nouveau procédé. La technologie de refroidissement que l’équipe présente à la Hannover Messe de cette année utilise des fibres musculaires artificielles composées de faisceaux de fils à mémoire de forme ultrafins fabriqués à partir de l’alliage nickel-titane “nitinol”. Ces fils ont la propriété spéciale de retrouver leur forme antérieure. après avoir été étiré ou autrement déformé. Ils sont ainsi capables de se tendre et de se détendre comme des muscles humains.

La raison de ce comportement se trouve dans la structure de l’alliage métallique. Les atomes de l’alliage sont disposés dans une structure de réseau cristallin. Si le fil de nickel-titane est déformé ou tiré en tension, les couches d’atomes dans le cristal du réseau se déplacent les unes par rapport aux autres, créant une tension dans le matériau. Cette contrainte est relâchée lorsque le fil reprend sa forme d’origine. Ces changements dans la structure cristalline du matériau sont connus sous le nom de transitions de phase et ils amènent les fils à absorber ou à libérer de la chaleur.

C’est cet effet que Seelecke et son équipe exploitent dans leur nouveau système de refroidissement. “Le matériau à mémoire de forme libère de la chaleur dans son environnement lorsqu’il est chargé mécaniquement dans son état superélastique et absorbe la chaleur de son environnement lorsqu’il est déchargé. Et cet effet est particulièrement prononcé dans le cas du nitinol. Lorsque des fils de nitinol précontraints sont déchargés à température ambiante, ils refroidissent jusqu’à 20 degrés », explique Stefan Seelecke, titulaire de la chaire des systèmes de matériaux intelligents à l’Université de la Sarre.

“Nous exploitons cette propriété pour dissiper la chaleur”, a déclaré Susanne-Marie Kirsch, qui a aidé à développer le système de refroidissement dans le cadre de son projet de recherche doctorale. “L’idée de base est de permettre aux fils à mémoire de forme précontraints et superélastiques de se détendre et ainsi de refroidir l’espace en en éliminant la chaleur”, a expliqué Kirsch. La chaleur absorbée par les fils à mémoire de forme est ensuite relâchée vers l’extérieur lorsque les fils sont retendus dans l’environnement.






Crédit : Université de la Sarre

Cependant, le système de refroidissement de Sarrebruck est nettement plus complexe. L’équipe a conçu et développé un circuit de refroidissement dans lequel un entraînement à came en attente de brevet tourne de telle manière que des faisceaux de fils de nitinol de 200 microns d’épaisseur sont alternativement étirés et détendus afin que la chaleur soit transférée aussi efficacement que possible. L’air est soufflé à travers les faisceaux de fils dans deux chambres séparées : dans une chambre l’air est chauffé, dans l’autre il est refroidi. En conséquence, la machine peut refroidir et peut chauffer.

“Lorsque les fils sont chargés mécaniquement, ils chauffent d’environ 20 degrés, de sorte que le procédé peut également être utilisé comme pompe à chaleur”, a expliqué Felix Welsch, qui a également travaillé sur le système prototype dans le cadre de son doctorat. Selon l’alliage utilisé, la puissance de chauffage ou de refroidissement de cette nouvelle technologie est jusqu’à trente fois supérieure à la puissance mécanique nécessaire pour charger et décharger les faisceaux de fils d’alliage. Cela rend le nouveau système nettement meilleur que les pompes à chaleur et les réfrigérateurs conventionnels actuellement disponibles.

Le système de refroidissement est le résultat de nombreuses années de recherche dans différents projets, de nombreuses thèses de doctorat primées et d’une étroite collaboration avec le groupe dirigé par le professeur Andreas Schütze de l’Université de la Sarre. Le financement a été assuré en partie par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre de son programme prioritaire « Refroidissement ferroïque ». Grâce à une combinaison d’études expérimentales et de modélisation numérique, les chercheurs ont pu optimiser les mécanismes sous-jacents et ont pu déterminer combien de fils de nitinol doivent être inclus dans un faisceau ou quel niveau de charge de fil était nécessaire pour atteindre un degré spécifique de refroidissement. S’appuyant sur ces résultats, l’équipe de recherche est maintenant en mesure de personnaliser le système. Ils ont développé un progiciel qui leur permet de simuler, de planifier et d’affiner les systèmes de refroidissement pour des applications spécifiques.

L’équipe de Sarrebruck travaille actuellement sur plusieurs projets visant à optimiser davantage le processus de transfert de chaleur et ainsi à accroître encore davantage l’efficacité de la nouvelle technologie. L’objectif est d’arriver à un stade où pratiquement toute l’énergie de la transition de phase est utilisée pour le chauffage ou le refroidissement.

Les chercheurs de l’équipe de Seelecke travaillent actuellement au développement de leur technologie élastocalorique pour une utilisation comme système de refroidissement dans les véhicules électriques. Depuis janvier 2022, l’équipe travaille avec des partenaires académiques et industriels pour développer un nouveau système de refroidissement élastomère. “Notre objectif est de développer, de modéliser mathématiquement et de valider un système de climatisation alternatif pouvant être utilisé dans toutes les classes de véhicules. Le système sera en mesure de fournir le chauffage et le refroidissement du véhicule tout en étant plus efficace, plus respectueux de l’environnement et plus durable que d’autres systèmes déjà disponibles. Notre technologie sera également plus compacte, plus légère et plus rentable », a expliqué Paul Motzki, ingénieur de recherche et directeur général de l’équipe de Seelecke.


Une équipe de recherche utilise des muscles artificiels pour développer un climatiseur du futur


Plus d’information:
Conférence : www.hannovermesse.de/en/landin … nover-messe-2022-sea

Fourni par l’Université de la Sarre

Citation: Nouvelle technologie de climatisation : les muscles artificiels fournissent un refroidissement durable (2 juin 2022) récupéré le 2 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-air-conditioning-technology-artificial-muscles-sustainable.html

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