Pourra-t-on un jour refroidir nos maisons en envoyant leur chaleur dans le vide interstellaire ?

Source: The Conversation – in French – By Virginie Ponsinet, Chercheuse CNRS sur des matériaux innovants pour le refroidissement radiatif, Université de Bordeaux

L’ESSENTIEL

Avec les canicules à répétition, la question du refroidissement des bâtiments se pose, en particulier en évitant les méthodes qui aggravent l’effet de serre, le changement climatique et, donc, les pics de chaleur.
Le « refroidissement radiatif » est une piste : il s’agit d’exploiter le rayonnement thermique que tout objet envoie vers l’extérieur. Dans le cas des bâtiments, il faudrait optimiser ce rayonnement pour qu’il soit plus intense et dirigé vers le ciel.
Ce phénomène ne résoudra pas tous les problèmes d’un coup, mais il est passif (il n’utilise pas d’électricité) et est assez efficace pour provoquer parfois l’apparition de givre alors qu’il n’a pas gelé la nuit précédente !

Douches à répétition, bouteilles glacées devant les ventilateurs, blanc de Meudon sur les fenêtres, nous cherchons tous des moyens pour nous rafraîchir lors des canicules. Il a fait très chaud cet été, et ça ne va pas aller en s’arrangeant.

Les vagues de chaleur nous forcent à nous interroger, individuellement et collectivement : comment adapter nos conditions de vie à ces hausses de températures sans augmenter notre impact carbone ? Alors qu’il apparaît que refroidir les bâtiments est indispensable à la santé des êtres qui y vivent, le moyen d’y parvenir n’est pas évident. En particulier, la climatisation, très efficace pour refroidir, pose de nombreux problèmes environnementaux (consommation électrique, îlots de chaleur, gaz réfrigérants au potentiel de réchauffement très élevé en cas de fuite…). À tel point que l’Agence internationale de l’énergie estime que les climatiseurs traditionnels représenteront 18 % de l’augmentation mondiale des émissions de gaz à effet de serre entre 2016 et 2050.

Il est donc urgent de développer des technologies permettant de diminuer notre usage de la climatisation classique. L’une d’elles pourrait être le refroidissement radiatif.

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On a tous en tête les images des villages blancs de Grèce. Dans ces régions très ensoleillées, les toits sont peints en blanc pour réfléchir la lumière du soleil. La peinture blanche réfléchit environ 90 % de la lumière du soleil au lieu de l’absorber et de s’échauffer, comme le ferait un toit plus sombre.

Pour maximiser la réflexion des rayons du soleil, le plus efficace serait d’utiliser des miroirs, mais cela créerait un risque d’éblouissement par la réflexion directe du soleil.

La peinture blanche, au contraire, réfléchit de façon diffuse : bien que venant d’une direction unique, les rayons du soleil sont réfléchis dans toutes les directions. On dit que le toit blanc est « rétro-diffusant ».

Utiliser des toits rétrodiffusants peut réduire la température intérieure de 1 à 4 °C. Cette stratégie permet également de diminuer la température à l’extérieur des bâtiments, jusqu’à 2 °C, ce qui peut permettre de contrer l’effet des îlots de chaleur dans les villes.

Refroidir en envoyant la chaleur vers l’espace

Le refroidissement radiatif est un phénomène différent de la rétrodiffusion. Avez-vous déjà remarqué la présence de givre blanc sur un pare-brise ou sur l’herbe d’un jardin au petit matin alors qu’il n’a pas gelé pendant la nuit ? Cela est dû au « refroidissement radiatif ».

Cet effet est lié au fait que tous les corps ou objets émettent spontanément et continûment un rayonnement électromagnétique dû à l’agitation permanente des atomes qui les constituent (le « rayonnement thermique »). Les longueurs d’onde du rayonnement thermique dépendent de la température de l’objet qui l’émet. Pour certaines températures, il est visible par l’œil humain. Par exemple, autour de 1 000 °C, cette radiation est jaune, rouge et infrarouge et correspond à l’incandescence du fer chauffé au rouge ou de la lave d’un volcan. La surface du soleil, à 6 000 °C, émet entre 0,25 et 2,5 micromètres : des ultraviolets, des couleurs visibles (que nous percevons) et du proche infrarouge.

Au contraire, les objets à température terrestre émettent des infrarouges invisibles pour l’œil humain (entre 8 et 14 micromètres) : si nous pouvions voir ces longueurs d’onde, tous les êtres et objets qui nous entourent seraient lumineux ! Sauf le ciel qui paraîtrait entièrement noir : en effet, d’une part, l’atmosphère terrestre absorbe et émet très peu aux longueurs d’onde comprises entre 8 et 14 micromètres, c’est une « fenêtre de transparence » de l’atmosphère terrestre. D’autre part, l’espace intersidéral est à -270 °C, proche du zéro absolu, et n’émet quasiment pas de rayonnement thermique : il constitue un puits d’énergie. Ainsi, lorsqu’un objet est placé sous le ciel, il envoie vers l’espace un rayonnement – donc de l’énergie – ce qui refroidit légèrement l’objet.

Principe du refroidissement radiatif d’un bâtiment.
Zoé Lecomte, Fourni par l’auteur

Ce refroidissement est particulièrement intéressant car il est spontané et ne demande pas d’électricité pour fonctionner. Mais il n’est que de faible intensité et, en général, très largement compensé par l’énergie reçue du soleil. Si on fait un bilan d’énergie simplifié sur une surface d’un mètre carré en plein soleil, on peut dire qu’elle reçoit entre 200 et 1 000 watts d’énergie solaire (selon la météo) alors qu’elle n’émet qu’entre 20 et 100 watts par rayonnement thermique, en fonction de la nature chimique de la surface, de sa topographie, de sa température, etc. On voit que, pour que le bilan corresponde à un refroidissement effectif, la surface doit réfléchir la quasi-totalité de ce qu’elle reçoit du soleil.

Utiliser le refroidissement radiatif pour les bâtiments

Afin de réduire notablement nos besoins en climatisation, on peut envisager de placer sur nos toits des matériaux qui émettent beaucoup entre 8 et 14 micromètres et rétrodiffusent tout ce qui vient du soleil. Les efforts de recherche les plus récents se concentrent sur l’optimisation des matériaux pour augmenter le refroidissement accessible.

Le premier groupe à avoir réussi l’exploit de concevoir un matériau capable de se refroidir sous la température ambiante malgré une exposition au soleil a été le groupe du professeur Shanhui Fan à Stanford (Californie) en 2014. Ces scientifiques ont développé un matériau à base de couches alternées de dioxyde de silice et de dioxyde d’hafnium, capable d’émettre 40 watts par mètre carré et de se refroidir jusqu’à 4,9 °C sous la température ambiante.

Heureusement, des matériaux plus communs peuvent également être efficaces, comme un film de silicone contenant des microbilles de verre, capable de dissiper 93 watts par mètre carré, même en plein soleil. Ce matériau a même été produit à une échelle de plusieurs mètres carrés, pour démontrer la capacité à le manufacturer.

Récemment, des entreprises ont émergé de ces innovations technologiques. En particulier, des revêtements pour toits ont été proposés à base de peinture blanche additionnée de grains de sable ou de coquillages broyés, dont la nature chimique est favorable à un fort rayonnement thermique, afin d’en réduire la température.

Dépasser les limites du refroidissement radiatif

Cependant, les peintures de toit permettant un refroidissement radiatif ont plusieurs limites, qui rendent difficile un développement commercial à grande échelle.

Un inconvénient majeur, dans les climats tempérés, est que le refroidissement existe également l’hiver et risque d’augmenter les besoins en chauffage. De plus, ce type de toits se salit vite et demande un entretien qui n’est pas toujours aisé. Enfin, un inconvénient, plutôt commercial celui-ci, est qu’il est difficile d’anticiper la performance du dispositif, car elle dépend de la configuration du bâtiment, et en particulier l’exposition du toit, mais aussi la façon dont le froid du toit va se propager vers l’habitation.

Une solution intéressante est de concevoir un « panneau refroidisseur » à poser sur le toit, qui rayonne de l’énergie vers le ciel et refroidit un fluide caloporteur transportant ce froid dans le bâtiment. La circulation du fluide refroidit l’intérieur de façon contrôlée et peut être interrompue lorsqu’il n’y a pas besoin de refroidir, notamment l’hiver. Actuellement sujet de recherches et de développement, ce type de panneaux présente encore deux défis principaux.

Le premier, intrinsèque au phénomène, est qu’il est moins efficace si les concentrations atmosphériques en humidité, en CO₂ ou en polluants augmentent. En effet, ces composés absorbent une partie des infrarouges entre 8 et 14 micromètres et les renvoient vers la Terre. L’impact des pollutions atmosphériques reste à étudier. Ceci restreindra peut-être cet usage aux régions arides et semi-arides et non polluées.

Le second est un défi à relever pour les scientifiques : il faut optimiser la nature, la topographie et la structure interne de la surface supérieure du panneau pour maximiser son rayonnement thermique, et ceci avec des matériaux bon marché et non toxiques.

Aujourd’hui, le refroidissement radiatif garde une amplitude modeste, et ne peut pas entièrement remplacer la climatisation, et surtout pas partout. Cependant, dans beaucoup de situations, refroidir de quelques degrés suffit à rétablir un confort intérieur.

L’association de « panneaux refroidisseurs » et d’une circulation fluide pourrait constituer un dispositif vertueux, silencieux et presque passif, puisque seule la circulation demande de l’énergie, contrairement à la climatisation. Des efforts sont désormais nécessaires pour convaincre usagers et professionnels du bâtiment que cette technologie passive peut être développée et déployée pour éviter de recourir exclusivement à la climatisation.

Virginie Ponsinet a reçu des financements de l’Université de Bordeaux.

Zoé LECOMTE a reçu des financements de l’Université de Bordeaux.

Camille Courtine ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

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