Le refroidissement radiatif : se rafraîchir en plein soleil sans consommer d'énergie
Une surface bien conçue peut rester plus froide que l'air ambiant à midi, sans moteur ni électricité, en envoyant sa chaleur droit vers l'espace. Le principe est connu depuis longtemps ; depuis 2014, il fonctionne aussi en plein jour.
Tout objet tiède rayonne de la chaleur sous forme d'infrarouge, invisible à l'œil. Par une nuit claire, ce rayonnement file vers le ciel et le sol se refroidit : d'où la rosée et le givre du petit matin. Le refroidissement radiatif consiste à exploiter ce phénomène volontairement, avec des matériaux qui rayonnent leur chaleur vers l'espace plus vite qu'ils n'en reçoivent. Le défi, longtemps jugé hors de portée, était d'y parvenir en plein soleil.
Une fenêtre ouverte sur l'espace
L'atmosphère n'est pas transparente à toutes les longueurs d'onde. La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone absorbent une grande partie de l'infrarouge, puis le réémettent vers le sol : c'est l'effet de serre. Mais entre 8 et 13 micromètres environ, l'air laisse passer ce rayonnement presque librement. Cette bande s'appelle la fenêtre atmosphérique.
Or un objet à la température ambiante, vers 20 °C, émet justement l'essentiel de son rayonnement thermique autour de 10 micromètres. Une surface qui émet beaucoup dans cette fenêtre envoie donc sa chaleur à travers l'atmosphère, jusqu'à l'espace, dont la température avoisine −270 °C. L'univers sert de puits de chaleur gratuit et inépuisable.
La nuit, cela suffit. Le jour, en revanche, le soleil apporte environ un kilowatt par mètre carré, bien plus que ce que la surface peut rayonner. Pour se refroidir sous le soleil, un matériau doit donc réussir deux choses à la fois : réfléchir presque toute la lumière solaire, du visible au proche infrarouge, et émettre fortement entre 8 et 13 micromètres. Un toit blanc ne fait que la première moitié du travail.
2014 : le premier refroidissement sous le soleil
En novembre 2014, Aaswath Raman, Shanhui Fan et leurs collègues de l'université Stanford publient dans Nature une expérience qui change la donne. Leur revêtement est un empilement de sept couches alternées de dioxyde d'hafnium et de dioxyde de silicium, d'épaisseurs calculées au nanomètre près. Les couches réfléchissent environ 97 % de la lumière solaire, tandis que l'ensemble rayonne efficacement dans la fenêtre atmosphérique.
Posé sur un toit, sous un ensoleillement de plus de 850 watts par mètre carré, l'échantillon reste environ 4,9 °C plus froid que l'air ambiant. À la température de l'air, il évacue environ 40 watts par mètre carré. C'est modeste, mais sans électricité, en plein midi.
L'équipe passe ensuite à l'échelle du système. En septembre 2015, des panneaux de ce type, posés sur des tuyaux d'eau, maintiennent pendant trois jours l'eau 3 à 5 °C sous la température de l'air. Une simulation pour un immeuble de bureaux à Las Vegas estime que de tels panneaux, associés à la climatisation, réduiraient de 21 % l'électricité consacrée au froid en été. Les chercheurs fondent une entreprise, SkyCool Systems, pour commercialiser l'idée.
Des peintures et des films déjà vendus
Les multicouches nanométriques coûtent cher ; la recherche s'est donc tournée vers des solutions faciles à étaler. En 2021, l'équipe de Xiulin Ruan, à l'université Purdue, présente une peinture très chargée en sulfate de baryum, aux grains de tailles variées, qui réfléchit 98,1 % du rayonnement solaire, contre 80 à 90 % pour les peintures blanches commerciales conçues pour limiter l'échauffement. Selon l'université, un toit d'environ 90 mètres carrés ainsi peint fournirait environ 10 kilowatts de froid, plus que la climatisation de la plupart des maisons. Elle entre au livre Guinness des records comme la peinture la plus blanche.
Des films adhésifs sont désormais commercialisés. Le groupe 3M vend par exemple un film de refroidissement qui réfléchit plus de 85 % du rayonnement solaire et dont l'émissivité dépasse 91 % dans la fenêtre atmosphérique ; il est proposé pour les toits de véhicules de transport et de camions frigorifiques.
Les limites du froid gratuit
Le refroidissement radiatif dépend du ciel. L'humidité, les aérosols et surtout les nuages ferment en partie la fenêtre atmosphérique et réduisent nettement la puissance de refroidissement, comme le montrent les modèles des chercheurs de l'université des sciences et technologies de Hong Kong. Les climats secs et dégagés sont donc les plus favorables, les régions tropicales humides les moins.
Autres difficultés : un toit qui refroidit toute l'année peut alourdir le chauffage en hiver, d'où les recherches sur des revêtements commutables. La poussière et la condensation dégradent les performances. Enfin, la plupart de ces matériaux sont opaques : impossible de les poser sur une fenêtre ou une serre sans priver l'intérieur de lumière.
C'est ce verrou que vise l'équipe de Bryce Richards, à l'institut de technologie de Karlsruhe. En mai 2024, elle décrit un film de silicone couvert de micropyramides d'une dizaine de micromètres. Il laisse passer en moyenne 95 % de la lumière visible, davantage que le verre ordinaire, émet comme un corps presque noir entre 8 et 13 micromètres, et l'eau y perle puis roule en emportant la poussière. Lors d'un essai à Karlsruhe, par temps humide, il est resté environ 6 °C sous la température ambiante.
Des voiles aux serres
Même sans fenêtre atmosphérique, la réflexion du soleil compte déjà. Sur le Campo de Dalías, près d'Almería, plus de 40 000 hectares de serres aux toits blancs ont fait augmenter de près de 10 % la réflectivité du sol entre 1983 et 2006 ; des chercheurs y ont estimé un refroidissement local d'environ 0,3 °C par décennie, quand la région se réchauffait de 0,5 °C par décennie.
La marche « Peau froide métamatérielle » (voir la marche C-MAT-02) veut porter le film transparent de Karlsruhe à des surfaces d'au moins un demi-mètre carré, puis l'essayer sur un bâtiment et une serre en climat chaud, où il réduirait la climatisation sans couper la lumière naturelle. Vers les étoiles, le problème change de forme. Une voile légère poussée par un faisceau laser chauffera vers 1 000 K, et rien ne pourra la refroidir hormis son propre rayonnement. Dans le vide, il n'y a pas d'atmosphère à traverser, mais à cette température le rayonnement thermique culmine vers 3 micromètres : la marche vise donc des nanostructures qui augmentent l'émissivité des voiles entre 2 et 6 micromètres sans leur faire absorber davantage la lumière du laser, dans la lignée des travaux de John Brewer et Aaswath Raman sur la thermique des voiles. Le même art de trier la lumière servirait ainsi une serre andalouse et une sonde interstellaire.