Supposons que vous essayez de rafraîchir une maison en été ou dans un climat chaud, où le soleil tape au-dessus de votre tête. Vous pouvez recouvrir votre toit d'un matériau qui réfléchit ou absorbe la lumière du soleil, l'empêchant de pénétrer à l'intérieur. Mais si vous vous trouvez dans un endroit où l'été se transforme en hiver, les revêtements de toit qui empêchent la chaleur d'entrer ont également du mal à retenir la chaleur, ce qui augmente les coûts de chauffage et contribue au fait que les opérations de construction, d'une manière ou d'une autre, sont responsables d'un estimé à 28 % des émissions mondiales de carbone.
Une solution pourrait donc être trouvée dans un matériau intelligent adaptatif qui fait les deux :une substance qui retient la chaleur en été et empêche la chaleur de s'échapper en hiver. Grâce à un matériau qui peut basculer entre deux phases - un matériau qui a été testé au sommet de la maison d'un professeur - des chercheurs californiens ont mis au point un tel revêtement de toit. Ils ont publié leurs travaux dans la revue Science le 17 décembre.
"L'intérêt de notre travail est que notre toit fonctionne non seulement par temps chaud, mais aussi par temps froid", explique Junqiao Wu, scientifique des matériaux à l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Laboratory, et l'un des chercheurs derrière le projet.
Le matériau clé de la toiture est l'oxyde de vanadium, un composé qui a déjà été testé comme revêtement de fenêtre. Contrairement à la plupart des métaux, l'oxyde de vanadium est un mauvais conducteur de chaleur, ce qui en fait un isolant idéal.
Les rayons infrarouges du soleil qui réchauffent la Terre peuvent traverser l'oxyde de vanadium lorsque le matériau est à température ambiante. Mais lorsque le composé chauffe jusqu'à 67 °C (153 °F), ses propriétés se modifient :il change de phase. Il commence à bloquer ces rayons infrarouges, masquant efficacement ce qui se trouve en dessous. En d'autres termes, il laisse entrer le soleil lorsqu'il fait frais et l'empêche d'entrer lorsqu'il fait chaud.
À moins que vous ne construisiez des condos sur Mercure, 153 °F est une température élevée pour un toit. Mais Wu et ses collègues avaient précédemment découvert qu'en ajoutant une pincée de tungstène - en termes de science des matériaux, en "dopant" l'oxyde de vanadium avec du tungstène - ils pouvaient abaisser le point de changement de phase du composé à un niveau beaucoup plus salubre de 77 ° F (25 °C).
Les chercheurs pensaient avoir identifié le bon matériau. Mais ils avaient besoin d'un endroit pour le tester. "Vous ne pouvez pas simplement le faire en laboratoire", explique Wu, "parce que dans le laboratoire, vous n'obtenez pas de lumière du soleil, vous n'avez pas de vent, vous ne faites pas face au ciel."
Le toit de leur laboratoire était inaccessible - et, à ce moment-là, la pandémie de COVID-19 avait de toute façon fermé une grande partie du laboratoire. Ils ne pouvaient pas laisser l'échantillon de revêtement de toiture dans un espace ouvert comme une aire de jeux ou un parking ; ils avaient besoin d'un endroit où ils pourraient faire fonctionner un ordinateur portable, sans surveillance, pendant des jours.
Il y avait une autre option :la maison de Wu.
Plus ils y réfléchissaient, plus ils aimaient l'idée. La maison, sur une colline de la baie de San Francisco, n'était pas bloquée par des arbres, permettant à la lumière du soleil ininterrompue de la toucher. Il avait également un temps optimal pour les tests; la température ambiante varie considérablement entre le jour et la nuit.
"J'ai de l'électricité, j'ai le WiFi", dit Wu. «Je me fais vivre dans la maison. Je peux entretenir l'équipement pendant plusieurs jours. C'est ainsi que nous avons fait l'expérience."
Les chercheurs ont monté des blocs d'oxyde de vanadium sur une couche transparente de fluorure de baryum, un composé souvent utilisé pour étudier les rayons infrarouges, et une couche inférieure d'argent réfléchissant, les transformant en un matériau semblable à un ruban adhésif.
Wu et un post-doctorant de l'époque, Kechao Tang, ont installé cette bande sur le toit de la maison de Wu et mis en place un système de mesure sans fil sur le balcon de Wu pour surveiller sa réaction aux changements de la lumière du soleil et de la température de l'air. En le comparant à deux méthodes de revêtement de toit existantes différentes - l'une colorée en blanc et l'autre en noir - ils ont constaté que, bien que le revêtement blanc se comporte mieux en plein soleil, leur matériau s'en sortait mieux dans la plupart des autres conditions.
Mais la Bay Area représente à peine tous les climats du monde - son temps peut changer radicalement en parcourant quelques kilomètres dans une direction - et les chercheurs n'ont testé le matériau qu'un seul jour d'été.
Ainsi, avec l'aide de Finnegan Reichertz, un lycéen local qui effectuait un stage à distance dans le laboratoire de Wu, les chercheurs ont utilisé les données de l'expérience sur le toit pour effectuer des simulations informatiques sur la façon dont le revêtement se comporterait, toute l'année, dans 15 climats différents. à travers l'Amérique du Nord, allant du désert du Nouveau-Mexique aux hivers rigoureux de Chicago en passant par les pluies du nord-ouest du Pacifique.
Le revêtement fonctionne particulièrement bien pour les climats où les températures oscillent entre des étés chauds et des hivers froids, selon les simulations. "Pour la Floride, cela ne fonctionnera pas très bien", déclare Wu. « Pour Hawaï, non. Pour l'Alaska, il fait trop froid, et non. Mais pour toutes les zones climatiques moyennes et tempérées, cela fonctionnera bien. Le matériau a permis d'économiser plus d'énergie que les revêtements de toit existants dans 12 des 15 climats simulés.
Maintenant, dit Wu, ils prévoient de breveter le matériau en 2022 et de trouver des moyens d'en fabriquer beaucoup efficacement, ou un matériau similaire avec les mêmes propriétés. "Nous cherchons à améliorer les performances tout en les rendant évolutives", déclare-t-il.
Ces revêtements intelligents, si Wu a raison, sont bons pour plus que les toits. Wu imagine qu'ils pourraient être utilisés dans l'exploration spatiale pour maintenir l'intérieur des véhicules à une température confortable, même dans des environnements extrêmes en dehors de l'atmosphère terrestre. Plus près du sol, le revêtement pourrait être utilisé dans l'électronique grand public ou dans les textiles. Vous pourriez, par exemple, un jour porter une veste ou camper sous une tente recouverte d'oxyde de vanadium à déphasage, maintenue au frais une minute, puis réchauffée la suivante.
