Meta-surface radiative pour la collecte d'eau atmospherique – META-WATER

Dans le contexte du réchauffement climatique et de la diminution des ressources en eau pure, il est urgent de trouver de nouvelles solutions pour collecter de l'eau. Nous envisageons ici de condenser de façon passive par refroidissement radiatif la vapeur d'eau atmosphérique (rosée). L'eau de rosée, souvent ignorée jusqu'à présent, peut servir de source d'eau supplémentaire, s'ajoutant à l'eau de pluie et de brouillard. Une approche prometteuse est exploiter de manière efficace ce processus physique en utilisant des métamatériaux, susceptibles de fournir une puissance de refroidissement radiatif de 60-100 W/m2.
L'objectif du projet METAWATER est de franchir une étape majeure dans l’exploitation du refroidissement radiatif et de la récupération de l'eau de rosée en concevant de nouvelles surfaces nano-micro-structurées aux propriétés optiques et fluidiques optimales à la fois pour le refroidissement radiatif et pour la collecte d’eau de rosée. Pour relever ce défi, la méthodologie impliquera la mise en œuvre de stratégies de traitement de surface par procédé plasma pour créer des méta-surfaces combinant trois caractéristiques exceptionnelles qui n'ont jamais été couplées jusqu'à présent: (i) des capacités de refroidissement radiatif efficaces grâce à une haute émissivité dans la fenêtre atmosphérique et une grande réflectivité du spectre solaire, (ii) des propriétés de mouillage adaptatifs (superhydrophile ou superhydrophobe) pour nucléer des films ou gouttes, (iii) une géométrie qui facilite et accélère l’écoulement des gouttes ou des films condensés par gravité avant leur inéluctable évaporation diurne.
Ce projet abordera des questions fondamentales concernant l'influence des traitements de surface sur l'efficacité du refroidissement radiatif et du processus de condensation, et explorera l'efficacité de cette stratégie couplée à la récupération de l'eau dans des conditions réelles extérieures.
Dans ce projet, nous chercherons à éclaircir l'impact de la mouillabilité et des architectures hétérogènes sur la transition de morphologie des micro-gouttelettes et à concevoir des modèles de mouillabilité à contraste élevé pour améliorer la performance de la collecte de l'eau. Une autre percée majeure sera d'explorer les nouvelles opportunités offertes par ces méta-surfaces pour augmenter le refroidissement radiatif, en particulier pendant la fin et le début de journée sous irradiation solaire afin de prolonger le temps de condensation de la rosée. Grâce à une émissivité proche de 0,99 et à la texturation envisagée, nous espérons obtenir une puissance de refroidissement d'environ 100 W/m2 et doubler ainsi la quantité d'eau recueillie par gravité (environ 0,1-0,3 l/nuit/m² en moyenne actuellement). Les surfaces micro et nano-structurées seront d’abord numériquement optimisées puis fabriquées. Les phénomènes de refroidissement radiatif et de condensation seront ensuite quantifiés en laboratoire dans une chambre à échanges radiatifs spécialement conçue à cet effet. Des études seront d’autre part menées à l'extérieur pour étudier l’efficacité des méta-surfaces en conditions environnementales réelles et prouver leur capacité à affronter les effets des conditions climatiques et tester leur tenue à long terme. Un effort important sera effectué pour évaluer le fonctionnement des condenseurs et leur vieillissement en conditions réelles.
Le caractère innovant du projet METAWATER réside dans le fait qu'il englobe un large éventail d'approches physiques, allant des traitements de surface, à l'hydrodynamique de mouillage, au transfert de chaleur et aux performances thermodynamiques. À notre connaissance, c'est la seule façon d'obtenir un système intégré avec une capacité de collecte d'eau efficace.