Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
Cette étude démontre que les émetteurs sélectifs nanoparticulaires (Nano-SEs) surpassent de manière significative les alternatives à large spectre pour atténuer les îlots de chaleur urbains en atteignant des températures de surface plus basses sous les facteurs de vue céleste restreints typiques des paysages urbains denses, offrant ainsi une solution évolutive pour renforcer la résilience thermique urbaine.
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Les villes sont souvent nettement plus chaudes que la campagne qui les entoure, un phénomène connu sous le nom d'îlot de chaleur urbain. Cette chaleur supplémentaire provient du soleil qui réchauffe les bâtiments et les routes, lesquels rayonnent ensuite cette énergie stockée dans l'air, créant une boucle de rétroaction qui rend les villes plus difficiles à refroidir et plus coûteuses à habiter. Une manière prometteuse de lutter contre cela sans utiliser d'électricité est le refroidissement radiatif. Ce processus consiste à permettre à une surface de rayonner sa chaleur directement vers le vide froid de l'espace. L'atmosphère agit comme une fenêtre pour cette chaleur, laissant passer le rayonnement infrarouge à travers une bande spécifique de longueurs d'onde tout en le bloquant à d'autres. Si un matériau peut émettre fortement de la chaleur à travers cette fenêtre atmosphérique et réfléchir la lumière du soleil, il peut théoriquement se refroidir lui-même même lorsque l'air environnant est chaud.
Pendant des années, les scientifiques ont débattu de la meilleure façon de construire ces matériaux de refroidissement. Certains designs sont « à large bande », ce qui signifie qu'ils émettent de la chaleur sur une large gamme de longueurs d'onde infrarouges. D'autres sont « sélectifs », conçus pour n'émettre de la chaleur qu'à travers cette fenêtre atmosphérique spécifique tout en réfléchissant la chaleur à toutes les autres longueurs d'onde. Dans les zones rurales ouvertes, où le ciel est dégagé, des recherches antérieures ont suggéré que les conceptions sélectives plus complexes n'offraient qu'un avantage infime par rapport aux modèles plus simples à large bande. Cela a conduit beaucoup de gens à croire que l'effort supplémentaire pour fabriquer des émetteurs sélectifs n'en valait pas la peine. Cependant, cette conclusion supposait une vue dégagée sur le ciel, une condition qui existe rarement dans les rues denses et semblables à des canyons des villes modernes.
Une équipe de chercheurs de l'University College London et d'autres institutions a maintenant démontré que dans le monde réel des toits des villes, les émetteurs sélectifs sont bien supérieurs. Ils ont découvert que lorsqu'une surface de refroidissement est entourée de bâtiments chauds, les matériaux simples à large bande absorbent la chaleur indésirable rayonnée par ces murs, ce qui les fait chauffer. Les émetteurs sélectifs, en revanche, réfléchissent cette chaleur résiduelle provenant des bâtiments tout en laissant leur propre chaleur s'échapper vers l'espace. Pour le prouver, les chercheurs ont développé un nouveau type de matériau appelé émetteur sélectif nanoparticulaire. Au lieu d'utiliser des couches complexes et rigides difficiles à fabriquer, ils ont créé de minuscules particules d'oxynitrure de silicium. Ces particules ont été conçues avec une structure poreuse, semblable à une éponge, pour garantir qu'elles puissent être entièrement converties lors de la fabrication, leur donnant la capacité parfaite d'émettre de la chaleur uniquement à travers la fenêtre atmosphérique.
Les chercheurs ont testé ces matériaux dans deux contextes très différents. Premièrement, ils les ont placés sur un toit à Londres avec une vue dégagée sur le ciel. Comme prévu, les émetteurs sélectifs ont presque autant performé que les modèles à large bande, refroidissant la surface de quelques degrés en dessous de la température ambiante de l'air. Cela a confirmé que dans les espaces ouverts, la complexité supplémentaire des émetteurs sélectifs ne procure pas de bénéfice majeur. L'histoire a complètement changé lorsqu'ils ont simulé un environnement urbain dense. Ils ont mis en place un test où les échantillons de refroidissement étaient entourés de murs chauffés, imitant les façades chaudes des hauts bâtiments qui bloquent la vue sur le ciel. Dans ce scénario, les matériaux à large bande ont échoué à refroidir efficacement, devenant souvent plus chauds que l'air environnant car ils absorbaient la chaleur des murs. Les émetteurs sélectifs, cependant, ont continué à refroidir, restant nettement plus frais que les versions à large bande.
L'avantage de la conception sélective augmentait à mesure que la chaleur environnante augmentait. Lorsque les chercheurs ont simulé des murs chauffés à des températures comprises entre 40 et 80 degrés Celsius, les émetteurs sélectifs sont restés jusqu'à 5 degrés Celsius plus frais que les modèles à large bande. Dans des simulations encore plus extrêmes, où la source de chaleur atteignait des températures de 500 degrés Celsius, l'écart s'est davantage creusé. Cela se produit parce que la chaleur rayonnée par des objets très chauds se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes qui tombent en dehors de la fenêtre atmosphérique ; le matériau sélectif rejette naturellement cette chaleur, tandis que le matériau à large bande l'absorbe. L'équipe a également créé deux versions de leur matériau : une qui réfléchit la lumière du soleil pour une utilisation sur les toits opaques, et une autre qui est transparente à la lumière du soleil pour une utilisation sur les fenêtres ou les serres. Les deux versions ont conservé leur capacité à rejeter la chaleur des environs chauds tout en rayonnant leur propre chaleur.
En utilisant des modèles informatiques basés sur le tracé réel de Londres, l'équipe a projeté ce qui se passerait si des blocs de villes entiers étaient recouverts de ces matériaux. Dans les zones de faible hauteur, les deux types de matériaux fonctionnent bien. Mais dans les districts de gratte-ciel, où la vue sur le ciel est fortement obstruée par les immeubles, les matériaux à large bande peinent à maintenir les toits au frais. Les émetteurs sélectifs, cependant, maintiennent des températures plus basses dans tout le district, contrant efficacement la chaleur piégée par les bâtiments. Ce travail suggère que si des matériaux de refroidissement simples peuvent suffire pour les espaces ouverts, les défis uniques des villes denses exigent la précision des émetteurs sélectifs. En rejetant la chaleur rayonnée par les bâtiments voisins et en ne libérant sa propre chaleur que vers l'univers froid, ces nouveaux matériaux à base de nanoparticules offrent une manière évolutive et pratique de rendre les futures villes plus vivables et plus économes en énergie.
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