Maintenant, un nouveau composite chimique développé par des chercheurs du MIT pourrait fournir une alternative. Il pourrait être utilisé pour stocker la chaleur du soleil ou de toute autre source pendant la journée dans une sorte de batterie thermique, et il pourrait libérer la chaleur en cas de besoin, par exemple pour la cuisson ou le chauffage après la tombée de la nuit.

Une approche courante du stockage thermique consiste à utiliser ce qu’on appelle un matériau à changement de phase (PCM), où la chaleur d’entrée fait fondre le matériau et son changement de phase – du solide au liquide – stocke de l’énergie. Lorsque le PCM est refroidi en dessous de son point de fusion, il redevient un solide, à quel point l’énergie stockée est libérée sous forme de chaleur. Il existe de nombreux exemples de ces matériaux, notamment des cires ou des acides gras utilisés pour des applications à basse température, et des sels fondus utilisés à haute température. Mais tous les PCM actuels nécessitent beaucoup d’isolation, et ils traversent cette température de changement de phase de manière incontrôlable, perdant leur chaleur stockée relativement rapidement.

Au lieu de cela, le nouveau système utilise des commutateurs moléculaires qui changent de forme en réponse à la lumière; lorsqu’il est intégré dans le PCM, la température de changement de phase du matériau hybride peut être ajustée avec la lumière, ce qui permet de maintenir l’énergie thermique du changement de phase même bien en dessous du point de fusion du matériau d’origine.

Les nouvelles découvertes, par les postdocs du MIT Grace Han et Huashan Li et le professeur Jeffrey Grossman, sont rapportées cette semaine dans la revue Nature Communications.

« Le problème avec l’énergie thermique, c’est qu’il est difficile de s’y accrocher », explique Grossman. Son équipe a donc développé ce qui est essentiellement des compléments pour les matériaux à changement de phase traditionnels, ou « de petites molécules qui subissent un changement structurel lorsque la lumière brille sur elles. »L’astuce consistait à trouver un moyen d’intégrer ces molécules à des matériaux PCM conventionnels pour libérer l’énergie stockée sous forme de chaleur, à la demande. « Il y a tellement d’applications où il serait utile de stocker l’énergie thermique d’une manière qui vous permet de la déclencher en cas de besoin », dit-il.

Les chercheurs y sont parvenus en combinant les acides gras avec un composé organique qui répond à une impulsion de lumière. Avec cette disposition, le composant sensible à la lumière modifie les propriétés thermiques de l’autre composant, qui stocke et libère son énergie. Le matériau hybride fond lorsqu’il est chauffé, et après avoir été exposé à la lumière ultraviolette, il reste fondu même lorsqu’il est refroidi. Ensuite, lorsqu’il est déclenché par une autre impulsion de lumière, le matériau se resolidifie et restitue l’énergie de changement de phase thermique.

« En intégrant une molécule activée par la lumière dans l’image traditionnelle de la chaleur latente, nous ajoutons un nouveau type de bouton de commande pour des propriétés telles que la fusion, la solidification et la surfusion », explique Grossman, professeur de Morton et Claire Goulder et de la famille en systèmes environnementaux ainsi que professeur de science et d’ingénierie des matériaux.

Le système pourrait utiliser n’importe quelle source de chaleur, pas seulement solaire, dit Han. « La disponibilité de la chaleur résiduelle est très répandue, des processus industriels à la chaleur solaire, en passant par la chaleur provenant des véhicules, et elle est généralement simplement gaspillée. »Exploiter une partie de ces déchets pourrait fournir un moyen de recycler cette chaleur pour des applications utiles.

« Ce que nous faisons techniquement, explique Han, c’est l’installation d’une nouvelle barrière énergétique, de sorte que la chaleur emmagasinée ne peut pas être libérée immédiatement. »Sous sa forme stockée chimiquement, l’énergie peut rester pendant de longues périodes jusqu’à ce que le déclencheur optique soit activé. Dans leurs premières versions de laboratoire à petite échelle, ils ont montré que la chaleur stockée pouvait rester stable pendant au moins 10 heures, alors qu’un appareil de taille similaire stockant directement la chaleur la dissiperait en quelques minutes. Et « il n’y a aucune raison fondamentale pour laquelle il ne peut pas être réglé pour aller plus haut », dit Han.

Dans le système de preuve de concept initial, « le changement de température ou la surfusion que nous obtenons pour ce matériau de stockage thermique peut atteindre 10 degrés C (18 F), et nous espérons pouvoir aller plus haut », explique Grossman.

Déjà, dans cette version, « la densité d’énergie est assez importante, même si nous utilisons un matériau à changement de phase conventionnel », explique Han. Le matériau peut stocker environ 200 joules par gramme, ce qui, selon elle, est « très bon pour tout matériau à changement de phase organique. »Et déjà, « les gens ont manifesté de l’intérêt pour l’utiliser pour cuisiner dans l’Inde rurale », dit-elle. De tels systèmes pourraient également être utilisés pour le séchage des cultures agricoles ou pour le chauffage des locaux.

« Notre intérêt pour ce travail était de montrer une preuve de concept », explique Grossman, « mais nous pensons qu’il y a beaucoup de potentiel pour utiliser des matériaux activés par la lumière pour détourner les propriétés de stockage thermique des matériaux à changement de phase. »