Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Imaginez un dispositif capable de générer de l'électricité sans être branché à une prise murale ou situé à côté d'un feu. Il n'a pas besoin d'une source de chaleur d'un côté et d'un puits froid de l'autre, comme le font la plupart des générateurs d'énergie. Au lieu de cela, il crée sa propre différence de température en utilisant l'eau et la lumière du soleil. C'est le domaine des générateurs thermoélectriques qui flottent sur l'eau. Ils fonctionnent selon un principe simple : lorsque l'eau s'évapore d'une surface humide, elle emporte la chaleur avec elle, laissant cette surface plus fraîche que l'air environnant. Si un matériau peut absorber la lumière du soleil pour rester chaud tout en faisant évaporer de l'eau pour rester frais, un écart de température se forme à travers sa surface. Cet écart peut être converti directement en électricité. Pendant des années, les scientifiques ont tenté de rendre ces dispositifs flottants plus puissants, mais ils ont été confrontés à un problème tenace. La même lumière solaire qui chauffe le dispositif réchauffe également les parties mêmes qui sont censées rester fraîches, annulant ainsi l'écart de température sur lequel le dispositif repose.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tokai au Japon a trouvé un moyen de résoudre ce problème en traitant le côté refroidi du dispositif avec un masque spécial. Ils ont découvert qu'en recouvrant la zone de refroidissement avec un matériau qui réfléchit la lumière du soleil tout en laissant passer l'eau, ils pouvaient doubler l'électricité produite par le dispositif. La clé de leur succès fut un matériau appelé diatomite, une poudre naturelle composée des coquilles fossilisées de micro-algues. Ce matériau est naturellement poreux et blanc. Lorsque les chercheurs ont appliqué une couche de celui-ci sur le côté de refroidissement de leur générateur flottant, il a agi comme un miroir, renvoyant la chaleur du soleil, tandis que ses minuscules trous permettaient à l'eau de circuler et de s'évaporer. Le résultat fut un dispositif qui restait nettement plus frais d'un côté, créant un écart de température beaucoup plus important et, par conséquent, un signal électrique beaucoup plus fort.

Le dispositif lui-même est construit à partir d'un film mince et autonome de nanotubes de carbone à paroi simple, qui sont des formes de carbone incroyablement petites et tubulaires. Ce film est léger, flexible et assez solide pour flotter. Il est placé sur une feuille de plastique dans laquelle des trous rectangulaires sont découpés, permettant à l'eau de monter à travers le film par capillarité, tout comme l'eau monte dans un essuie-tout. À mesure que l'eau atteint la surface du film, elle s'évapore, refroidissant cette zone spécifique. Le reste du film, qui est exposé au soleil mais qui n'est pas en contact avec l'eau, reste chaud. Cette différence de température à travers le film génère une tension. Dans les versions précédentes de ce dispositif, toute la surface, y compris la zone de refroidissement, absorbait la lumière du soleil, ce qui chauffait la zone de refroidissement et affaiblissait la différence de température. Les chercheurs ont réalisé que pour obtenir plus de puissance, ils devaient empêcher le soleil de chauffer la zone de refroidissement sans pour autant empêcher l'évaporation de l'eau.

Pour tester cette idée, l'équipe a construit quatre versions différentes du générateur flottant. Le premier était un dispositif de contrôle sans aucun masque. Le deuxième était recouvert d'un masque blanc solide fait de résine acrylique, qui réfléchissait bien la lumière du soleil mais bloquait le passage de l'eau. Le troisième était un masque à deux couches composé de la même résine acrylique en dessous et d'une couche de diatomite au-dessus ; cela réfléchissait la lumière mais bloquait toujours le passage de l'eau car la résine scellait la surface. Le quatrième dispositif était recouvert uniquement de la couche de diatomite, qui réfléchit la lumière mais permet à l'eau de passer à travers ses pores naturels. Ils ont placé les quatre dispositifs dans un récipient d'eau sous un soleil artificiel brillant qui simulait l'intensité d'une journée claire, mesurant l'électricité produite et la quantité d'eau évaporée sur trente minutes.

Les résultats ont montré un vainqueur clair. Le dispositif non masqué a produit une faible tension de 0,25 millivolt. Les dispositifs avec les masques blancs solides, qui réfléchissaient le soleil mais arrêtaient le flux d'eau, ont produit une tension légèrement supérieure de 0,34 millivolt. Cette amélioration a prouvé que le fait de réfléchir la lumière du soleil aidait, même si cela coûtait un peu d'évaporation de l'eau. Cependant, le dispositif avec le masque de diatomite, qui réfléchissait à la fois le soleil et laissait passer l'eau, a produit une tension de 0,50 millivolt. C'était exactement le double de la production du dispositif non masqué. Le masque de diatomite a également permis l'évaporation la plus importante de l'eau, avec 670 milligrammes perdus en trente minutes, contre 535 milligrammes pour le dispositif non masqué. La structure poreuse de la diatomite augmentait la surface où l'eau pouvait se transformer en vapeur, améliorant l'effet de refroidissement tandis que la couleur blanche maintenait la chaleur du soleil à distance.

Les chercheurs ont soigneusement analysé pourquoi cette combinaison fonctionnait si bien. Ils ont découvert que le gain de puissance provenait de deux sources distinctes qui s'additionnaient parfaitement. La première source était la réflexion de la lumière du soleil, qui empêchait la zone de refroidissement de chauffer. La seconde source était la poursuite de l'évaporation de l'eau à travers le masque poreux, qui extrayait activement la chaleur. Lorsqu'ils ont comparé les dispositifs, ils ont vu que le simple fait de réfléchir la lumière sans laisser passer l'eau donnait un petit boost, mais que l'ouverture du passage de l'eau tout en conservant la réflexion donnait un boost beaucoup plus important. Le masque de diatomite gérait les deux à la fois. L'équipe a calculé que la différence de température à travers le film dans le meilleur dispositif était de 2,60 degrés Celsius, soit le double des 1,30 degré observés dans la version non masquée. Ce doublement de l'écart de température a directement conduit au doublement de la production électrique.

Cette découverte est importante car elle montre une nouvelle façon d'améliorer la collecte d'énergie à partir de l'environnement. La plupart des dispositifs thermoélectriques nécessitent un approvisionnement constant en chaleur d'un côté et un approvisionnement constant en froid de l'autre, ce qui limite les endroits où ils peuvent être utilisés. Les dispositifs qui créent leur propre différence de température peuvent fonctionner partout où il y a de l'eau et de la lumière, ce qui les rend idéaux pour des capteurs non surveillés sur les lacs ou les océans. L'étude prouve qu'il n'est pas nécessaire de changer le matériau de base du générateur pour l'améliorer ; il suffit d'étudier la surface qui fait face au côté de refroidissement. En utilisant un matériau qui est à la fois réfléchissant et perméable, les chercheurs ont créé une couche de refroidissement bien plus efficace que n'importe quel concept précédent. Le masque de diatomite, un simple composite de coquilles de silice naturelles et d'un liant de gypse, s'est avéré être la solution parfaite, offrant une voie pratique vers des sources d'énergie plus puissantes et autonomes pour l'avenir.