Thermoélectricité : comment produire du courant avec de la chaleur

Un gain significatif vient d'être obtenu dans cette technique prometteuse et connue depuis le dix-neuvième siècle. L'espoir grandit de pouvoir fabriquer de l'électricité à partir de n'importe quelle source de chaleur, récupérée autour d'un moteur, dans une habitation ou à l'intérieur d'une usine.

Voilà plus de 170 ans que Jean-Charles Peltier a découvert un curieux phénomène : lorsqu'un courant électrique traverse deux conducteurs jointifs de natures différentes, l'un se refroidit (légèrement) et l'autre se réchauffe d'autant. Un peu plus tôt, en 1821, Thomas Seebeck, mettait en évidence un phénomène inverse : quand deux matériaux conducteurs différents sont approchés l'un de l'autre, on  obtient un petit courant électrique si les deux sont amenés à des températures différentes. Comme l'a montré Lord Kelvin, les deux découvertes montrent les deux facettes du même phénomène, aujourd'hui appelé effet thermoélectrique, effet Peltier ou effet Peltier-Seelbeck.

Transformer de la chaleur en électricité ou le contraire avec un dispositif aussi simple représente un énorme potentiel. Pourtant, l'effet Peltier est resté cantonné à quelques applications marginales de réfrigération, qui ne font appel qu'au phénomène découvert par Peltier : le refroidissement de circuits électroniques (les astronomes l'apprécient beaucoup dans leur caméra CCD) ou les réfrigérateurs de voiture.

L'effet découvert par Seelbeck, lui, n'est guère exploité mais soulève d'immenses espoirs. Grâce à lui, il est envisageable de produire de l'électricité en puisant dans les sources de chaleur perdue pour tout le monde, dans les habitations, les usines ou les moteurs. On parle de thermoélectricité. Si elle n'est encore qu'un rêve, c'est parce que les matériaux thermoélectriques sont coûteux et peu efficaces. De nombreux travaux sont aujourd'hui menés dans le monde pour améliorer cette efficacité. Elle dépend notamment du rapport entre les conductivités électrique et thermique. Le matériau doit très bien conduire le courant mais doit faire obstacle au flux de chaleur. Dans le cas contraire, la chaleur dégagée par le passage du courant électrique se répand dans tout le volume et vient réduire l'effet recherché. Les scientifiques veulent aussi abaisser la température minimale de fonctionnement, qui reste élevée.

Un réseau cristallin désordonné

Une équipe américaine du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et du Boston College viennent d'annoncer un progrès significatif. Gang Chen, Mildred Dresselhaus (MIT) et Zhifeng Ren (Boston College) ont utilisé un matériau thermoélectrique déjà connu, du tellurure d'antimoine-bismuth, mais l'ont préparé de manière différente. Ils l'ont d'abord réduit en une poudre extrêmement fine, dont les grains ont un diamètre d'environ 20 nanomètres, qu'ils ont ensuite compressée à haute température pour former des disques et des barres.

Par rapport aux meilleurs résultats obtenus auparavant avec ce matériau, exigeant une température de 100°C, l'équipe a observé une amélioration de l'efficacité de 40 % et constaté que l'effet thermoélectrique apparaît entre 250°C et la température ambiante. Les chercheurs expliquent cet énorme gain en performances par la formation, après la compression, d'un réseau cristallin désordonné qui contrecarre la transmission de la chaleur sans gêner la conduction électrique.

L'intérêt du procédé est aussi sa simplicité, puisqu'il part d'un matériau macroscopique pour fabriquer une structure nanométrique. Cette approche descendante (contrairement à l'approche bottom-up, qui consiste à assembler des nano-objets) permet d'envisager une production plus facile. « Nous ne parlons plus en grammes mais en kilogrammes, s'enthousiasme Zhifeng Ren. Nous pouvons en faire des tonnes ! »

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