Le bois refroidissant est beaucoup plus blanc que le bois naturel afin de réfléchir la lumière. © Liangbing Hu, Université du Maryland

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Ce bois sans lignine refroidit les bâtiments de 10 °C

ActualitéClassé sous :climatisation , rayonnement infrarouge , bois amélioré

Des scientifiques ont mis au point un nouveau type de bois entièrement blanc qui réfléchit la chaleur et absorbe celle de l'air ambiant, permettant de refroidir les bâtiments. Une alternative écologique à la climatisation qui nécessite de plus en plus d'électricité.

Utilisé depuis des siècles dans la construction, le bois effectue un come-back surprenant dans le secteur de la construction. Les architectes multiplient les projets de gratte-ciels en bois et les maisons en bois poussent comme des champignons. La start-up française Woodoo a mis au point un bois transparent, imputrescible et résistant au feu (voir vidéo ci-dessous). Des chercheurs de l'Institut royal de technologie de Stockholm ont imaginé un bois capable d'emmagasiner la chaleur pour la restituer plus tard.

Des scientifiques de l'Université du Maryland, quant à eux, viennent aujourd'hui de lui trouver une nouvelle propriété : rafraîchir l'air ambiant. Tian Li et ses collègues ont mis au point un bois composite sans lignine, neuf fois plus solide que le bois normal et susceptible de faire chuter la température d'un bâtiment de 10 °C.

Modifier la longueur d’onde de l’infrarouge

La plupart des matériaux absorbent la chaleur sous forme de photons qu'ils réémettent en rayonnement dans le proche infrarouge (IR), lequel est capté par l'air ambiant, emprisonnant la chaleur. Une propriété très utile pour chauffer une maison en hiver mais un casse-tête quand on cherche à la refroidir. Depuis quelques années, les scientifiques ont développé des métamatériaux, ou matériaux nanostructurés, capables de modifier la longueur d'onde du rayonnement émis vers des valeurs plus grandes dans le spectre IR, de sorte qu'il ne soit pas réabsorbé par l'air. Ces revêtements et peintures sont toutefois coûteux à produire et difficilement applicables à grande échelle sur des façades ou des toits.

Le bois réfléchit le soleil et absorbe la chaleur du bâtiment pour la réémettre sous forme de lumière. © Korn V., Fotolia

Un bois tout blanc qui réfléchit et absorbe la chaleur

D'où l'idée de Tian Li de faire appel au bois, un matériau facilement disponible et utilisable directement dans la structure du bâtiment. Le problème est que le bois n'est pas exactement rafraîchissant à l'état naturel. Il est constitué principalement de cellulose et d'hémicellulose, de longues fibres « collées » ensemble par de la lignine qui agit comme ciment et rigidifiant. Or, cette dernière est fortement émettrice de rayonnement IR de par la nature de ses molécules.

Pour s'en débarrasser, les chercheurs ont trempé le bois dans un bain de peroxyde d'hydrogène qui coupe les longues chaînes de lignine en tout petits fragments ; ils sont alors relâchés dans la solution et peuvent ainsi être facilement rincés. Résultat : non seulement le bois modifié présente une blancheur éclatante, réfléchissant 96 % du rayonnement, mais il absorbe aussi la chaleur de son environnement pour la restituer sous forme de lumière. Ce double effet permet d'abaisser la température de la surface de 10 °C, assurent les chercheurs.

Plus solide et plus dur que le bois naturel

Mais, sans sa colle naturelle, le bois perd toute consistance. L'équipe a donc utilisé une presse à chaud comme celle employée pour la fabrication des bois composites afin de comprimer la cellulose et l'hémicellulose ensemble. On obtient ainsi un bois aux propriétés exceptionnelles, neuf fois plus solide et dix fois plus dur que le bois naturel. « En plus, il est très doux au toucher », assure Liangbing Hu, coauteur de l'étude parue le 24 mai dans la revue Science. Utilisé dans les revêtements extérieurs et les toits, ce bois refroidissant pourrait faire chuter la facture de la climatisation jusqu'à 60 %, d'après les calculs des chercheurs. Il serait également le bienvenu dans les pays ne disposant pas de système de climatisation.

Ce bois refroidissant serait le bienvenu dans les pays ne disposant pas de système de climatisation. © hakinmhan, Fotolia

Un effet refroidissant plutôt embêtant en hiver

Restent quelques écueils à l'utilisation massive de ce bois blanc. Premièrement, il n'est pas certain que son coût de fabrication plus élevé compense les économies d'électricité réalisées. Deuxièmement, le bois n'est pas couramment utilisé dans les toitures, car il n'est pas aussi durable et imperméable que les tuiles ou les bardeaux bitumés. Mais surtout, l'effet refroidissant devient un handicap l'hiver lorsqu'il s'agit de chauffer la maison. Cela veut dire que ce bois nouvelle version serait réservé aux pays bénéficiant d'un climat chaud toute l'année.

  • Des chercheurs ont mis au point un bois qui réfléchit 96 % du rayonnement infrarouge et absorbe la chaleur ambiante pour la réémettre sous forme de lumière.
  • Le bois a été débarrassé de sa lignine, fortement émettrice d’infrarouges, et compressé pour obtenir un matériau neuf fois plus solide que le bois naturel.
  • L’effet refroidissant n’étant pas réversible, ce bois serait toutefois réservé aux constructions dans les pays chauds.
Pour en savoir plus

Rafraîchir les bâtiments sans système de climatisation

Article de Nathalie Mayer publié le 29/11/2014

Aux États-Unis, les systèmes de climatisation sont responsables d'environ 15 % de l'énergie consommée par le secteur du bâtiment. Grâce au nouveau matériau, encore au stade du laboratoire, inventé par des chercheurs de l'université de Stanford, des économies substantielles pourraient être réalisées dans ce domaine.

Des ingénieurs de l'université de Stanford ont mis au point un revêtement innovant destiné à aider à climatiser les bâtiments. Leurs résultats, publiés récemment dans Nature, indiquent que leur procédé permettrait de maintenir la température intérieure à près de 5 °C en dessous de la température extérieure. Sans avoir à faire appel à une quelconque source d'énergie. Au cœur de l'invention, un matériau ultramince (seulement 1,8 micron d'épaisseur) et multicouche dont l'action est double. Un, il permet de réfléchir le rayonnement du soleil pour éviter que la chaleur ne pénètre dans le bâtiment ; deux, il permet d'absorber la chaleur à l'intérieur du bâtiment pour la renvoyer vers l'extérieur, sans pour autant réchauffer l'air alentour.

Dans les pays du Sud, les habitations sont généralement couvertes d'un toit blanc qui réfléchit la lumière du soleil. De quoi limiter l'apport de chaleur dans les maisons. Le même principe s'applique, avec une efficacité remarquable, au revêtement inventé par l'équipe du professeur Shanhui Fan. Le matériau renvoie en effet 97 % du rayonnement solaire qui le frappe. La véritable innovation repose toutefois sur sa seconde propriété. Rappelons que les objets, tout comme les êtres vivants, émettent de la chaleur sous la forme d'un rayonnement infrarouge, invisible à l'œil nu. C'est la chaleur de ce rayonnement que nous ressentons, par exemple, lorsque nous nous tenons devant un four fermé. C'est lui que le revêtement mis au point par les chercheurs de Stanford permet d'évacuer vers l'extérieur des bâtiments.

Des ingénieurs de Standord ont mis au point un matériau qui permet de refroidir les bâtiments. Celui-ci agit d’abord comme un miroir pour réfléchir les rayons lumineux qui le frappent. Il évacue aussi la chaleur intérieure sous la forme d’une radiation infrarouge. © Fan Lab, Stanford Engineering

Ce nouveau matériau est composé de sept couches d'épaisseur variable de dioxyde de silicium (SiO2) et d'hafnium (HfO2) déposées sur une mince couche d'argent. Ces feuillets constituent une structure capable à la fois de réfléchir le rayonnement entrant mais aussi d'absorber la chaleur intérieure pour la réémettre à des longueurs d'onde infrarouges comprises entre 8 et 13 micromètres. Les molécules présentes dans l'air ne peuvent pas absorber la chaleur émise dans cette longueur d'onde : l'air alentour ne chauffe donc pas, la chaleur est directement rejetée vers l'espace.

Quelques difficultés techniques à résoudre

Pour l'heure, le prototype n'est pas plus grand qu'une pizza. Ses concepteurs assurent qu'un tel matériau peut être économiquement rentable s'il est mis en forme de façon à trouver des applications pratiques. Une solution pourrait venir de la pulvérisation du matériau sur un support solide susceptible d'être installé sur les toits. Il restera alors tout de même à trouver le moyen de guider la chaleur intérieure vers le revêtement extérieur afin que celui-ci puisse l'évacuer.

Malgré ces difficultés, l'équipe de Shanhui Fan est confiante. Le professeur en génie électrique voit ce projet comme une première étape dans l'utilisation de l'univers comme un dissipateur de chaleur accessible à tous et d'une envergure illimitée. En attendant que son revêtement puisse être installé sur tous les toits du monde, il assure qu'il pourra améliorer le rendement des systèmes de climatisation existants en les aidant à évacuer leur chaleur perdue vers l'espace.

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