Modélisation multi-échelle des propriétés radiatives des matériaux pour l'énergie: impact du désordre textural – OUTWARDS

La préoccupation des citoyens à l’égard de l’environnement s’est considérablement accrue au cours des dernières décennies, principalement à la suite du choc pétrolier de 1973. Les enjeux liés à la politique environnementale sont appréhendés par un nombre croissant de personnes. Néanmoins, changer les habitudes de tous les acteurs de la société — c’est à dire les entreprises, les individus et même les gouvernements — prendra du temps, alors que les spécialistes pointent l’urgence de protéger l’environnement et les ressources naturels dont nous avons besoin pour assurer notre qualité de vie et surtout l’existence même de l’humanité. Par conséquent, une solution pour réduire la consommation d’énergie est d’améliorer l’efficacité énergétique, c’est à dire moins d’énergie à service constant. Il va sans dire que la science a un rôle capital à jouer. La recherche sur les matériaux appliqués à l’énergie est ainsi l’un des piliers de la transition énergétique. Le développement de matériaux novateurs et optimisés pour des fonctionnalités ciblées — telles que la récolte, la conversion ou le stockage de l’énergie — est nécessaire.

Dans ce contexte, les laboratoires et les entreprises s’intéressent de manière de plus en plus soutenue aux technologies basées sur les matériaux hétérogènes, notamment en raison de l’éventail des propriétés thermo-radiatives accessibles via l’emploi de ces derniers. Ces propriétés dépendent typiquement de l’arrangement, de la taille, de la forme ou encore de la densité des hétérogénéités; des paramètres qui peuvent donner lieu à des textures complexes, désordonnées et multi-échelles dans lesquelles la modélisation des photons est un vrai challenge. Il est donc habituel de se rabattre sur des hypothèses et des approximations (diffusion indépendante, théories des milieux effectifs ou techniques relevant de l’optique géométrique) qui simplifient certes le problème mais dont l’utilisation est souvent incorrecte: p. ex., taille des diffuseurs et longueur d’onde du même ordre de grandeur, interactions électromagnétiques non-négligeables ou présence de phénomènes résonants. Or tous ces régimes peuvent véhiculer un fort poids radiatif. Les verrous qui limitent la compréhension des mécanismes physiques associés doivent donc être levés afin de favoriser le design de matériaux optimisés pour l’efficacité énergétique. Dans cette optique, la résolution des équations de Maxwell constitue le seul cadre rigoureux.

L’objectif d’OUTWARDS est la production de connaissances sur la connexion entre désordre textural et propriétés radiatives des matériaux hétérogènes. La pierre angulaire du projet se situe au niveau du développement d’outils numériques capables de traiter rigoureusement l’interaction lumière/matière en milieu complexe. L’accent sera mis sur l’étude de la matière à l’échelle de la longueur d’onde, c’est à dire là où le transport de l’énergie radiative est particulièrement mal compris. Cette tache constitue une brique élémentaire majeure d’une plateforme numérique visant la modélisation d’échantillons réels multi-échelles. En forte complémentarité avec ces développements numériques, un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier pour la caractérisation de petits agrégats de particules sera mis en place. Cette double approche vise des percées scientifiques d’ordre fondamental permettant l’optimisation et la conception de nouveaux matériaux utiles à la transition énergétique. Les exemples d’applications pratiques susceptibles de bénéficier des avancées attendues sont nombreux. OUTWARDS s’attaquera à plusieurs, allant de la détermination des fonctions optiques d’inclusions dans les vitro-céramiques à l’optimisation de l’émission de particules métalliques, par ailleurs, envisagées comme futur vecteur énergétique propre. Des designs plus prospectifs y sont également discutés, en particulier des micro-sources infrarouges spectralement et spatialement sélectives affichant de faibles consommations énergétiques.