Des chercheurs de l’Université de Stanford ont développé un dispositif thermoélectrique capable de générer de l’électricité durant la nuit en exploitant le refroidissement radiatif. Ce système, détaillé dans la revue Applied Physics Letters, utilise la différence de température entre la surface du panneau et l’air ambiant pour produire une puissance continue sans exposition solaire directe.
Fonctionnement du refroidissement radiatif nocturne
La technologie repose sur le principe physique du refroidissement radiatif passif. Lorsqu’un objet est exposé au ciel nocturne, il perd de la chaleur par rayonnement infrarouge vers l’espace, où la température est proche du zéro absolu. Cette perte thermique permet à la surface du panneau de devenir légèrement plus froide que l’air ambiant environnant.
Pour convertir ce différentiel thermique en électricité, l’équipe menée par le professeur Shanhui Fan a intégré un générateur thermoélectrique (TEG) au dispositif. Le TEG exploite le flux de chaleur allant de l’air ambiant plus chaud vers la surface froide du panneau. Ce transfert d’énergie thermique à travers le module permet d’alimenter des circuits électroniques de faible puissance, offrant une solution complémentaire aux panneaux photovoltaïques conventionnels qui cessent de produire après le coucher du soleil.
Le refroidissement radiatif est un phénomène bien connu en physique atmosphérique. Il se produit lorsque les surfaces terrestres émettent des ondes électromagnétiques dans la fenêtre infrarouge thermique (environ 8 à 13 micromètres). Dans cette gamme de longueurs d’onde, l’atmosphère terrestre est relativement transparente, permettant à la chaleur de s’échapper directement vers l’espace lointain. Ce processus est le même mécanisme responsable de la formation de givre sur les voitures ou les toits lors de nuits claires, même lorsque la température de l’air est légèrement supérieure au point de congélation.
Performances et limites techniques
Lors des tests en conditions réelles, le prototype a démontré une capacité à générer environ 50 milliwatts par mètre carré. Bien que cette densité énergétique reste nettement inférieure à celle d’un panneau solaire standard, qui peut produire entre 150 et 250 watts par mètre carré en plein jour, les chercheurs soulignent l’intérêt de cette technologie pour des applications spécifiques.
« Nous avons montré que nous pouvons produire de l’électricité à partir du froid nocturne, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour les capteurs autonomes et l’éclairage LED à faible consommation dans les zones isolées », précise le professeur Shanhui Fan, Université de Stanford.
Le dispositif ne nécessite aucune source d’énergie externe pour fonctionner, ce qui en fait un système passif. Cependant, l’efficacité du refroidissement radiatif dépend étroitement des conditions atmosphériques. Une couverture nuageuse importante limite le rayonnement infrarouge vers l’espace, car les nuages absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge vers le sol, réduisant ainsi le gradient de température nécessaire à la production d’électricité. L’humidité atmosphérique joue également un rôle critique, car la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre qui absorbe le rayonnement thermique, rendant le ciel moins “transparent” pour le dispositif.
Comparaison avec les technologies solaires hybrides
Contrairement aux cellules photovoltaïques classiques, qui dépendent exclusivement du flux de photons solaires, ce système exploite un phénomène thermodynamique distinct. Des recherches antérieures, publiées notamment dans Joule, avaient déjà exploré l’utilisation de matériaux à changement de phase pour stocker la chaleur solaire durant le jour et la libérer la nuit, une approche différente de celle de l’équipe de Stanford.
Alors que les solutions de stockage par batterie visent à conserver l’énergie produite en journée pour une utilisation nocturne, l’approche par refroidissement radiatif cherche à maintenir une production active durant les heures sombres. Les données actuelles suggèrent que le principal défi reste le passage à l’échelle industrielle, car l’optimisation des générateurs thermoélectriques pour de grandes surfaces nécessite des matériaux coûteux, souvent basés sur le bismuth et le tellure.
L’utilisation de matériaux thermoélectriques (TEG) est standard dans des environnements extrêmes, comme les sondes spatiales (générateurs thermoélectriques à radio-isotopes), mais leur application à grande échelle sur Terre est limitée par le coût des semi-conducteurs spécialisés. L’efficacité d’un TEG est régie par le facteur de mérite (ZT), qui lie la conductivité électrique, le coefficient Seebeck et la conductivité thermique du matériau. Pour augmenter la puissance de sortie, les chercheurs doivent non seulement maximiser le refroidissement radiatif, mais aussi minimiser les pertes thermiques parasites qui annulent le différentiel de température.
Perspectives pour l’autonomie énergétique
L’intégration de cette technologie dans des infrastructures existantes demeure une question ouverte pour les ingénieurs. À court terme, l’utilité se limite à l’alimentation de systèmes de télémesure, d’horloges de basse consommation ou de capteurs environnementaux placés dans des milieux où le remplacement des batteries est complexe.
La recherche se concentre désormais sur l’amélioration du couplage thermique entre le panneau et le générateur, ainsi que sur l’utilisation de matériaux émetteurs infrarouges plus performants, souvent appelés “surfaces émissives sélectives”. Ces surfaces sont conçues pour maximiser l’émissivité dans la fenêtre infrarouge tout en minimisant l’absorption de la lumière solaire directe pendant la journée, ce qui permettrait potentiellement un fonctionnement hybride jour-nuit. L’objectif est d’augmenter le rendement de conversion pour rendre le système viable au-delà des prototypes de laboratoire d’ici la fin de la décennie.
Le succès de cette technologie dépendra également de la capacité à concevoir des modules qui intègrent la gestion thermique à la fois pour le refroidissement radiatif nocturne et pour la protection contre la surchauffe diurne. La recherche dans le domaine des matériaux photoniques et des métamatériaux offre des pistes prometteuses pour créer des surfaces dotées de propriétés optiques sur mesure, capables de basculer entre ces différents modes de fonctionnement thermique.
