Des chercheurs de l'Université Rice ont dévoilé un émetteur thermique révolutionnaire qui augmente considérablement l'efficacité des systèmes thermophotovoltaïques (TPV), qui convertissent la chaleur en électricité grâce à la lumière. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à des alternatives plus abordables aux batteries à grande échelle et faciliter la transition vers un monde sans émissions.
Les conceptions traditionnelles des émetteurs thermiques ont souvent été contraintes, entraînant soit des dispositifs à faible performance, soit des émetteurs à haute performance difficiles à intégrer dans des applications pratiques. En s'appuyant sur des principes de la physique quantique, l'ingénieur Gururaj Naik et son équipe ont créé un émetteur thermique qui atteint une haute efficacité dans des paramètres de conception réalistes.
“En gros, nous avons démontré comment obtenir les meilleures performances possibles d'un émetteur tout en tenant compte des limites de conception réalistes et pratiques”, a déclaré Cyril Samuel Prasad, premier auteur de l'étude et ancien étudiant diplômé de Naik.
Le nouvel émetteur thermique est constitué d'une feuille de tungstène, d'une fine couche de matériau séparateur et d'un réseau de nanocylindres en silicium. Lorsqu'il est chauffé, les couches de base accumulent le rayonnement thermique, comparable à un bain de photons. De minuscules résonateurs positionnés au-dessus interagissent de manière à leur permettre de “capturer photon après photon” de ce bain, contrôlant la luminosité et la bande passante de la lumière envoyée à la cellule photovoltaïque.
“Au lieu de se concentrer sur la performance des systèmes à résonateur unique, nous avons pris en compte la manière dont ces résonateurs interagissent, ce qui a ouvert de nouvelles possibilités. Cela a permis de contrôler la manière dont les photons sont stockés et libérés”, a expliqué Naik.
Cette émission sélective maximise la conversion d'énergie, atteignant une efficacité plus élevée que ce qui était possible auparavant tout en fonctionnant aux limites des propriétés des matériaux. La nouvelle technologie pourrait rendre le TPV une alternative compétitive à d'autres technologies de stockage et de conversion d'énergie, notamment dans les scénarios nécessitant un stockage d'énergie à long terme.
“Je suis convaincu que ce que nous avons démontré, associé à une cellule photovoltaïque très efficace avec une petite bande interdite, a un grand potentiel. En me basant sur mon expérience avec la NASA et le lancement d'une startup dans le domaine de l'énergie renouvelable, je pense que les technologies de conversion d'énergie sont très demandées aujourd'hui”, a déclaré Naik.
De plus, cette technologie pourrait trouver des applications dans l'espace, par exemple pour alimenter des rovers martiens. “Si notre approche peut améliorer l'efficacité de tels systèmes de 2% à 5%, cela donnerait un coup de pouce significatif aux missions qui dépendent d'une génération efficace d'électricité dans des conditions extrêmes”, a ajouté Naik.
Cette avancée a également le potentiel de récupérer la chaleur perdue des processus industriels, les rendant plus durables. On estime que 20 à 50 % de la chaleur utilisée pour convertir des matières premières en biens de consommation est gaspillée, coûtant à l'économie américaine plus de 200 milliards de dollars par an.