DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Refroidissement radiatif passif – RADCOOL

Résumé de soumission

L'atmosphère terrestre a une fenêtre de transparence comprise entre 8 et 13 µm. Cette fenêtre de transparence correspond aux longueurs d'onde d'émission thermique de corps à température ambiante. En utilisant ce phénomène, un corps peut être refroidi simplement parce que sa chaleur est rayonnée dans l'espace où la température est très faible. C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif passif. Ce mécanisme est très intéressant dans le contexte actuel où nous cherchons à améliorer l'efficacité énergétique. Cela peut par exemple être utilisé dans la climatisation : la gestion du confort thermique dans les bâtiments est incontournable de nos jours. On peut aussi citer l'exemple des Datacenters qui nécessitent une puissance de refroidissement colossale mais aussi le refroidissement de cellules photovoltaïques dont le rendement diminue drastiquement quand leur température augmente. L'objectif de ce projet est de concevoir et d'optimiser des systèmes de refroidissement radiatifs passifs, à l'aide des matériaux nano/microstructurés avec des propriétés radiatives spécifiques.
Ce projet sera divisé en trois parties. Une première partie concernera la conception et l'optimisation théorique et numérique de tels systèmes. Basé sur l'expertise du coordinateur dans le domaine du contrôle de l'émission thermique et sur les outils numériques d'optimisation qu'il a déjà développés, des systèmes hautement réfléchissants pour le rayonnement solaire et n'émettant que entre 8 et 13 µm seront développés. Le coordinateur a déjà développé des premiers modèles numériques basés sur des systèmes couplant des structures multicouches et des réseaux de surface pour obtenir les propriétés radiatives souhaitées. Ces modèles numériques seront améliorés tout au long du projet.
La deuxième partie portera sur la fabrication du système. Suite aux résultats numériques, des échantillons seront fabriqués. Tout d'abord, le coordinateur s'appuiera sur la technologie disponible dans son laboratoire. L'Institut Pprime a en effet un banc de recherche composé d'un FIB (focused ion beam) qui peut graver le réseau de surface. Le coordinateur utilisera aussi la technique DRIE (Deep Ion Etching Réactif) disponible à l'ESIEE Paris. Il collaborera avec l'équipe PPNa de l'Institut Pprime. Cette équipe possède une grande expérience dans le développement de matériaux nanostructurés. Deux techniques seront utilisées: le dépôts de couches minces par pulvérisation ou évaporation.
La troisième partie concernera les mesures des propriétés radiatives et l'indice de réfraction de chaque matériau. Pour caractériser les échantillons, l'équipe TNR dispose d'un banc de mesures optiques par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Il a déjà permis de caractériser les émetteurs thermiques sélectifs que le coordinateur a développés pour des applications thermophotovoltaïques. Les spectres de réflectivité des échantillons seront mesurés et comparés avec ceux obtenus numériquement. Des mesures seront aussi effectuées au LTEN (Laboratoire de Thermique et Energétique de Nantes) qui dispose d'un FTIR couplé à un microscope IR.
Pour calculer les propriétés radiatives du système, chaque matériau est défini par son indice de réfraction et dans un premier temps, le coordinateur utilisera les valeurs disponibles dans la littérature. Cependant, le risque d'avoir des différences entre ces données de la littérature et les propriétés réelles des couches minces synthétisées n'est pas négligeable. Par conséquent, pour réaliser des simulations numériques avec des paramètres d'entrée les plus proches de la réalité, des mesures d'indice de réfraction seront systématiquement réalisées. Ces mesures seront faite en interne à l'institut Pprime qui vient de se doter d'un ellipsomètre IR. Seuls deux laboratoires français possèdent un tel équipement.
L'objectif final est la réalisation d'un ou plusieurs prototypes de refroidisseurs radiatifs passifs à haut rendement.

Coordinateur du projet

Monsieur Jérémie DREVILLON (Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 236 520 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 36 Mois

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