Température
Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4874 (2022) Citer cet article
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La réduction des besoins de chauffage et de refroidissement à partir d’énergies fossiles est l’un des plus grands défis, dont la demande représente près de la moitié de la consommation mondiale d’énergie, ce qui entraîne par conséquent des problèmes climatiques et environnementaux complexes. Ici, nous démontrons un dispositif de gestion thermique radiative bimode hautes performances, à commutation automatique intelligente et à énergie nulle. En percevant la température pour moduler spontanément les caractéristiques électromagnétiques elle-même, l'appareil atteint ~ 859,8 W m−2 de puissance de chauffage moyenne (∼ 91 % de l'efficacité de conversion solaire-thermique) par temps froid et ~ 126,0 W m − 2 de puissance de refroidissement moyenne par temps chaud, sans aucune consommation d'énergie externe pendant tout le processus. Un tel dispositif évolutif et rentable pourrait réaliser un contrôle bidirectionnel de la température autour de la zone de température confortable de la vie humaine. Une démonstration pratique montre que la fluctuation de température est réduite d’environ 21 K par rapport à une plaque de cuivre. Les prédictions numériques indiquent que ce véritable dispositif de gestion thermique bimode à énergie nulle présente un énorme potentiel d'économie d'énergie tout au long de l'année dans le monde et constitue une solution réalisable pour atteindre l'objectif de Net Zero Carbon 2050.
La gestion thermique joue un rôle important dans les activités humaines, depuis les millions de mètres cubes de structures fabriquées par l’homme1 jusqu’aux circuits intégrés à l’échelle micro et nanométrique2, et depuis les engins spatiaux volant dans l’espace3 jusqu’aux submersibles habités en haute mer4. Diverses technologies de gestion thermique ont été développées selon différentes exigences5,6,7. Cependant, la plupart d’entre eux parviennent à un contrôle de température performant au prix d’une consommation d’énergie, éventuellement fossile. Des rapports ont souligné que la demande mondiale totale en énergie primaire était proche de 15 milliards de tonnes d’équivalent pétrole en 20198, et que près de 50 % de la consommation d’énergie était simplement utilisée pour le chauffage et le refroidissement quotidiens9. Cela aggrave particulièrement la crise énergétique croissante. Parallèlement, avec l’augmentation rapide des gaz à effet de serre produits par la combustion de combustibles fossiles, des phénomènes météorologiques extrêmes, tels qu’une chaleur intense et un froid intense, se sont produits de plus en plus fréquemment dans le monde ces dernières années10. Par conséquent, il est particulièrement important et impératif de développer diverses technologies de gestion thermique réalisables et performantes avec une consommation d’énergie faible, voire nulle, capables de réduire la demande d’énergie fossile et les émissions supplémentaires de gaz à effet de serre.
La gestion thermique radiative est considérée comme une plateforme prometteuse pour le chauffage et le refroidissement sans consommation d’énergie externe, attirant de plus en plus d’attention11. Le problème le plus difficile pour atteindre cet objectif est d'optimiser le spectre électromagnétique unique des matériaux de gestion thermique, en maximisant l'utilisation de la source de chaleur radiative inépuisable (c'est-à-dire le soleil, ~ 5 800 K) et de la source froide (c'est-à-dire l'espace extra-atmosphérique, ~3 K) dans la nature. Plus particulièrement, pour un chauffage solaire idéal, les matériaux doivent avoir une capacité d’absorption élevée dans la plage de longueurs d’onde de 0,2 à 2,5 μm et une faible émissivité dans la plage de longueurs d’onde > 2,5 μm, déterminée par le spectre de la lumière solaire et la loi de rayonnement du corps noir12. Au contraire, pour un refroidissement radiatif idéal, en particulier dans le refroidissement radiatif subambiant diurne, les matériaux devraient réfléchir efficacement le rayonnement solaire (0,2 à 2,5 μm) et également avoir une forte émission sélective dans l'infrarouge moyen dans la plage de longueurs d'onde spécifique de l'atmosphère transparente. fenêtre (8–13 μm) (Fig. 1)13. Notez qu'une série d'études sur le chauffage solaire et le refroidissement radiatif séparément/indépendamment ont fait de grands efforts pour comprendre en profondeur le mécanisme scientifique et développer des matériaux à haute efficacité14,15,16,17,18,19,20. Néanmoins, dans le monde réel, presque tous les scénarios ambiants comportent le défi que les objets sont situés dans un environnement assez dynamique et variable, y compris la fluctuation des aspects de l'espace, du temps, du jour et de la saison, de la température, etc. Le chauffage solaire fixe ou le refroidissement radiatif ne sont pas tous deux parfaitement adaptés à un environnement dynamique. En prenant le chauffage solaire comme exemple, un chauffage non désiré augmentera la consommation d'énergie pour le refroidissement par temps chaud et peut même annuler les économies d'énergie liées au chauffage par temps froid. Il en va de même pour le refroidissement radiatif. Par conséquent, pour une utilisation pratique, un système de gestion thermique, capable de posséder à la fois plus de deux spectres électromagnétiques opposés et de passer automatiquement/intelligemment au bon mode en répondant à l'environnement dynamique, est requis.