Le nitrure de bore : le matériau idéal pour le refroidissement radiatif
En plus d'être utilisé pour préparer des matériaux thermoconducteurs, le nitrure de bore est également un matériau idéal pour le refroidissement radiatif.
Qu'est-ce qu'un matériau de refroidissement radiatif ?
Un matériau à refroidissement radiatif est un type de matériau novateur capable de refroidir un objet en rayonnant passivement de la chaleur dans l'espace. Il ne nécessite aucun apport électrique et repose entièrement sur les propriétés physiques intrinsèques du matériau.
Ses principes fondamentaux reposent sur deux processus physiques fondamentaux :
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Réflectivité solaire élevée : Elle réfléchit autant de lumière solaire que possible (principalement dans la gamme de longueurs d'onde de 0,3 à 2,5 µm) afin de réduire l'absorption de la chaleur solaire.
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Émissivité infrarouge élevée dans la fenêtre atmosphérique : Dans la « fenêtre atmosphérique » (8–13 µm), où l'atmosphère terrestre est très transparente à certaines bandes infrarouges, le matériau présente une forte capacité de rayonnement thermique, émettant directement de la chaleur sous forme de rayons infrarouges dans l'espace froid extérieur (environ 3 K).
En termes simples, ce matériau fonctionne comme un « canal de dissipation de chaleur unidirectionnel » : il empêche la chaleur solaire de pénétrer tout en « déversant » la propre chaleur de l'objet dans l'univers.
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) possède les caractéristiques parfaites pour le refroidissement radiatif.
Propriétés réflectives fondamentales :
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Réflectance solaire élevée : le h-BN présente une réflectivité très élevée dans le domaine des longueurs d’onde visibles et proches infrarouges. Ceci lui confère un aspect blanc éclatant, dû à sa large bande interdite et à sa structure électronique particulière.
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Émissivité infrarouge élevée : Dans le domaine infrarouge moyen, et plus particulièrement dans la fenêtre atmosphérique de 8 à 13 µm, le h-BN absorbe fortement la lumière. Conformément à la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, il présente également une émissivité élevée dans cette bande spectrale.
Avec les capacités technologiques actuelles, il est tout à fait possible de produire des films de nitrure de bore très flexibles et à haute teneur pour des applications de refroidissement radiatif.
Scénarios d'application
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Efficacité énergétique des bâtiments :
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Utilisés comme revêtements de murs extérieurs ou de toitures, ils réduisent considérablement les températures de surface et intérieures des bâtiments, permettant ainsi d'économiser de 20 % à 50 % sur la consommation d'énergie de la climatisation.
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Transformés en films de refroidissement et appliqués sur les vitres des bâtiments ou les murs extérieurs.
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Dissipation thermique des dispositifs électroniques de puissance :
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Utilisé pour le refroidissement des stations de base de communication extérieures, des serveurs de centres de données, des centrales photovoltaïques, etc., améliorant ainsi la durée de vie des équipements et leur efficacité opérationnelle.
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Fournir des solutions de refroidissement passif pour les appareils électroniques portables.
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Collecte des ressources en eau :
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Utilisation de surfaces de refroidissement radiatif pour condenser la vapeur d'eau de l'air, permettant ainsi la « récolte d'eau atmosphérique » dans les régions arides.
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Gestion thermique personnelle :
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Transformés en fibres textiles ou en tissus pour la production de « vêtements rafraîchissants », offrant un microclimat confortable aux travailleurs en extérieur dans des environnements à haute température.
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Atténuer l’effet d’îlot de chaleur urbain :
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Une application à grande échelle sur les routes et les toits des villes peut réduire efficacement la température ambiante globale des villes.
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Défis et orientations futures
Malgré ses perspectives prometteuses, les matériaux de refroidissement radiatif restent confrontés à plusieurs défis :
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Adaptabilité environnementale : Par temps humide, nuageux ou pluvieux, la transparence de la fenêtre atmosphérique diminue, réduisant considérablement les performances de refroidissement.
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Durabilité et pollution : la poussière et les contaminants de surface peuvent gravement affecter les performances de réflexion et de rayonnement, ce qui nécessite des propriétés autonettoyantes (par exemple, des surfaces superhydrophobes).
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Coût et mise à l'échelle : Le coût des matériaux photoniques structuraux haute performance demeure relativement élevé. La mise en place d'une production à grande échelle et à faible coût est essentielle à leur commercialisation.
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Régulation spectrale : Un axe de recherche futur consiste à développer des matériaux de refroidissement radiatif « intelligents » capables d'ajuster dynamiquement leurs propriétés radiatives en fonction de la température ambiante, pour obtenir un effet « chaud en hiver et frais en été ».