Une fenêtre filtrant la chaleur pour éviter la climatisation. © daizuoxin - Fotolia.com

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Ce film transparent transforme les fenêtres en climatiseur naturel

ActualitéClassé sous :climatisation , revêtement , fenêtre intelligente

Comment réduire l'énorme facture énergétique liée au fonctionnement de la climatisation ? En filtrant la chaleur du soleil grâce à des fenêtres intelligentes, fabriquées à partir d'un polymère qui change de forme lorsqu'il est exposé à des températures élevées.

Avec environ 1,6 milliard de climatiseurs installés dans le monde à ce jour et 135 millions nouveaux appareils vendus chaque année, l’impact énergétique de la climatisation grossit dans des proportions inquiétantes. Selon un rapport de l'Agence internationale de l'énergie, la demande en électricité de la climatisation va plus que tripler d'ici à 2050 et équivaudra alors à la consommation actuelle de la Chine. Des climatiseurs qui émettront également un milliard de tonnes par an de CO2 supplémentaire, soit autant que les émissions du continent africain.

10 % d’économies sur les coûts de climatisation

Des chercheurs du MIT viennent peut-être de résoudre une partie du problème. Ils ont en effet mis au point un film transparent à appliquer sur les fenêtres et rejetant 70 % de la chaleur. « Si chaque bâtiment était équipé avec ces fenêtres, le coût énergétique de la climatisation baisserait de 10 % », assure Nicholas Fang, professeur de mécanique au MIT. Plutôt que d'inventer un tout nouveau matériau, les scientifiques se sont penchés sur les matériaux thermochromiques déjà existants. Ces derniers ont la propriété de changer de couleur ou de phase lorsqu'ils sont exposés à la chaleur. Ils sont tombés sur le poly(N-isopropylacrylamide)-2-Aminoethylmethacrylate hydrochloride, un polymère dont les microparticules ressemblent à de fines gouttelettes d'eau arrangées en mailles. Lorsque la température dépasse les 30 °C, les gouttelettes se vident de leur eau et le matériau s'opacifie.

La fenêtre intégrant le film en polymère est totalement transparente et rejette 70 % de la chaleur. © MIT

Un « filet de pêche » aux mailles invisibles

« C'est comme un filet de pêche, explique Nicholas Fang. Lorsqu'il est plongé dans la mer, les mailles sont quasi invisibles. Mais quand on le sort de l'eau, on peut les voir distinctement ». Le problème, c'est que si cette technique fonctionne plutôt bien pour filtrer la lumière, le microgel restait assez inefficace pour filtrer la chaleur. Les scientifiques ont eu alors la bonne idée d'utiliser des microparticules plus grosses. En-dessous de 100 nanomètres, elles étaient en effet trop fines et laissaient passer les ondes infrarouges. En étendant les chaînes de molécules du polymère, ils ont pu grossir les particules à plus de 500 nanomètres de diamètre, le matériau étant alors capable de stopper les infrarouges et donc, la chaleur.

Deux tiers de la chaleur qui pénètrent dans les bâtiments rentrent par les fenêtres. © Pixabay

Une baisse de température de 9 °C

Intégré dans un film entre deux plaques de verre, le dispositif s'est avéré efficace pour stopper 70 % de la chaleur fournie par une lampe de l'autre côté de la vitre, soit une diminution de température dans la pièce de 9 °C. « Cela représente une énorme différence en terme de confort », assure Nicholas Fang. Les fenêtres constituent en effet le maillon faible de l’efficacité énergétique des bâtiments. En été, elles sont responsables des deux tiers des apports de la chaleur dans une habitation. Il existe bien des fenêtres intelligentes qui s'assombrissent automatiquement lorsque le soleil tape, mais elles sont peu efficaces pour filtrer la chaleur ou nécessitent une alimentation électrique extérieure. Au contraire, le film « passif » mis au point par les chercheurs du MIT fonctionne de manière autonome et peut facilement être intégré par les fabricants de fenêtres. Une solution bien plus économique et écologique que les climatiseurs gloutons.

  • En modifiant un polymère thermochromique, des chercheurs du MIT ont mis au point un matériau qui filtre la chaleur.
  • Appliqué aux fenêtres, il pourrait faire baisser les coûts énergétiques de climatisation de 10 %.
Pour en savoir plus

Fenêtres intelligentes : du dioxyde de vanadium pour climatiser sans énergie

Floriane Boyer publié le 01/03/2018

La performance énergétique des bâtiments est en grande partie ruinée par les fenêtres. La solution ? Rendre les fenêtres intelligentes. Des chercheurs proposent de recouvrir les vitres d'un nouveau revêtement composé de dioxyde de vanadium, qui les rend sensibles aux changements de température.

Dans les habitations, les fenêtres sont responsables de déperditions considérables de chaleur en hiver, tandis qu'elles surchauffent les pièces en été. La consommation énergétique pour le chauffage et la climatisation grimpe facilement. Or, les « fenêtres intelligentes » capables de s'adapter en fonction des conditions météo en variant leur transparence, permettent de réaliser de vraies économies d'énergie.

S'inscrivant dans cette lignée, des chercheurs australiens de l'Institut royal de technologie de Melbourne (RMIT) et de l'université d'Adelaïde ont développé un revêtement ultrafin à partir de dioxyde de vanadium. Il est applicable sur toutes les surfaces, dont le verre, et ses propriétés s'adaptent en fonction de la température. L'application première est, logiquement, la fenêtre intelligente.


Développé à l’université de Melbourne (RMIT), ce revêtement ultrafin de dioxyde de vanadium, déposé sur une vitre, est capable de réfléchir les rayons infrarouges du Soleil tout en restant transparent. © RMIT University, James Giggacher

Un matériau qui se laisse difficilement dompter

Effectivement, le revêtement de 50 à 150 nanomètres d'épaisseur, c'est-à-dire mille fois plus fin qu'un cheveu, bloque les rayons infrarouges du Soleil, responsables de la chaleur, en été, et les laisse entrer en hiver. Il ne devient opaque que dans l'infrarouge et reste donc, en toutes circonstances, transparent pour l'œil humain. Cela lui confère un avantage par rapport à des fenêtres intelligentes concurrentes, telles les vitres électrochromatiques, dont la teinte se modifie.

Les chercheurs Mohammad Taha, Madhu Bhaskaran et leurs collègues ont exploité une caractéristique typique à ce composé : il présente une transition isolant-métal aux alentours de 68 °C. D'isolant, le dioxyde de vanadium devient métal, c'est-à-dire conducteur, au-delà de cette température, par réarrangement du réseau cristallin. Ses propriétés optiques changent et lui permettent de réfléchir les rayons infrarouges, qu'il laissait passer à plus basse température.

Le revêtement réagit naturellement aux variations de température, sans besoin d'alimentation extérieure, contrairement à certaines fenêtres intelligentes. On peut tout de même le régler grâce à un interrupteur, qui permettrait de « contrôler le niveau de transparence et donc la luminosité dans la pièce », précise Mohammad Taha, d'après Phys.org.

Bloc Le saviez-vous ?

Le dioxyde de vanadium nécessite, normalement, des surfaces particulières pour accrocher. De plus, il résiste mal quand il est exposé à l'oxygène de l'air et il est impossible à déposer en couche fine sur de grandes surfaces. Les chercheurs ont cependant dépassé ces contraintes, comme ils l'expliquent dans une publication parue dans Scientific Reports. Ils rappellent également qu'un revêtement de qualité permet d'abaisser la température de transition du matériau.

Ils ont réussi à déposer le dioxyde de vanadium en une couche ultrafine, par pulvérisation cathodique (méthode de dépôt de couche mince), et ce sur tout type de surface : vitre, silicium, quartz. Le revêtement obtenu bloque plus de 60 % des rayons infrarouges et serait prêt pour une application industrielle à grande échelle. Les chercheurs estiment que cette technologie pourrait également servir dans l'imagerie médicale, afin de filtrer certains rayonnements non ionisants.


Cette fenêtre intelligente se teinte en moins d’une minute

Article de Marc Zaffagni, publié le 16/08/207

Des ingénieurs de Stanford ont mis au point un nouveau type de verre électrochromatique qui peut s'opacifier et s'éclaircir beaucoup plus rapidement que les solutions existantes et conserver son efficacité sur la durée.

Les vitres électrochromatiques actuellement disponibles dans le commerce sont efficaces, mais elles cumulent plusieurs défauts : elles sont chères, imposent une teinte bleutée, demandent une vingtaine de minutes pour passer de la transparence à l'opacité (et vice versa) et elles ont tendance à perdre leur efficacité au fil du temps.

Les verres électrochromatiques sont encore onéreux et leurs performances se dégradent avec le temps. © Jacob, Fotolia

Partant de ce constat, une équipe de l'université de Stanford a cherché, et trouvé, des solutions techniques. Leur fenêtre « dynamique » est capable de s'opacifier et de s'éclaircir en trente secondes. Lorsqu'elle est dans son état neutre, la vitre offre une transparence de 80 % sans teinte apparente.

Cette vidéo montre la vitesse de réaction de la fenêtre « dynamique » développée l’université de Stanford. Le délai de transition est d’à peine trente secondes. © Stanford Precourt Institute for Energy

Ce verre électrochromatique ne perd pas en efficacité

Le prototype, d'une surface de seulement 25 cm2, se compose de deux plaques de verre qui emprisonnent une feuille d'oxyde d'indium à base de cuivre et de nanoparticules d'argent. Une impulsion électrique déclenche un mouvement des composants métalliques qui obscurcissent le verre, jusqu'à ne laisser passer que 5 % de la lumière. Les ingénieurs de Stanford disent avoir réalisé plus de 5.000 transitions sans constater de dégradation dans l'efficacité.

Cette technologie inédite fait l'objet d'un dépôt de brevet et l'équipe de Stanford discute avec des fabricants afin de produire ce verre électrochromatique dans des dimensions propices à une commercialisation. L'objectif est d'avoir un produit final qui coûte deux fois moins cher que les modèles existants.

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