En collaboration avec des spécialistes de l'impression 3D dirigés par le professeur Dirk Bähre, ils développent également des géométries inédites et économes en énergie pour les éléments de refroidissement. Ces cubes brillants, aux géométries remarquables, pourraient aisément passer pour d'élégants objets décoratifs. Cependant, pour les chercheurs qui travaillent sur ces structures imprimées en 3D, leur intérêt réside davantage dans leur fonctionnalité que dans leur esthétique. Les ingénieurs de production de l'équipe du professeur Dirk Bähre et les spécialistes des matériaux intelligents dirigés par le professeur Paul Motzki s'intéressent aux performances de ces structures métalliques au sein des systèmes de refroidissement et de chauffage innovants actuellement développés à Sarrebruck. « Il s'agit de la prochaine étape du développement de la technologie élastocalorique. Les recherches que nous menons actuellement sur ces nouvelles structures relèvent encore de la recherche fondamentale, mais nous réfléchissons déjà à leurs applications pratiques et développons des solutions pour des applications concrètes », explique Paul Motzki. Les géométries inédites de ces nouveaux éléments de refroidissement et de chauffage sont conçues pour optimiser le transfert de chaleur en maximisant la surface d'échange thermique.

Au lieu d'utiliser des fluides frigorigènes polluants pour le climat ou des combustibles fossiles comme le pétrole ou le gaz pour le chauffage, les systèmes élastocaloriques emploient des composants en alliage nickel-titane à mémoire de forme. L'équipe de Paul Motzki, à l'Université de la Sarre, étudie les propriétés élastocaloriques de faisceaux de fils ultrafins et de feuilles minces fabriquées à partir de cet alliage. Ces composants libèrent de la chaleur lorsqu'ils sont étirés ou comprimés et l'absorbent lorsque la contrainte mécanique est relâchée. Les ingénieurs de Sarrebruck exploitent l'effet élastocalorique pour transporter la chaleur d'un endroit à un autre, par exemple pour extraire la chaleur d'une chambre froide. Les équipes de recherche de l'Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d'automatisation de Sarrebruck (ZeMA) étudient l'effet élastocalorique depuis plus de 15 ans, avec pour objectif à long terme de climatiser et de chauffer les voitures, les bâtiments et les installations industrielles de manière écologique et écoénergétique. À l'occasion de la Foire de Hanovre de cette année, l'équipe démontre que sa technologie a dépassé le stade de la recherche fondamentale et est en bonne voie de trouver des applications concrètes.

Matériaux innovants et prometteurs :
La consommation énergétique mondiale pour le chauffage et la climatisation ne cesse d’augmenter, et face aux changements climatiques, la demande ne cesse de croître. Contrairement aux méthodes de chauffage et de climatisation classiques, la technologie élastocalorique promet une efficacité nettement supérieure. Fonctionnant exclusivement à l’électricité, les systèmes élastocaloriques sont aussi propres que l’électricité utilisée pour les alimenter. La Commission européenne a désigné le refroidissement élastocalorique comme l’alternative la plus prometteuse aux technologies de refroidissement conventionnelles, et le Forum économique mondial l’a inclus parmi les « Dix technologies émergentes les plus prometteuses ». Cette technologie repose sur les propriétés particulières du nickel-titane, un alliage qui, lorsqu’il est déformé, se comporte de manière très différente des métaux conventionnels.

Le nickel-titane est un « alliage à mémoire de forme », ce qui signifie qu’il peut être déformé puis reprendre sa forme initiale grâce à une transformation de phase réversible entre deux structures cristallines solides. Cette transformation de phase s’accompagne d’un transfert de chaleur. « À température ambiante, l'alliage se trouve dans sa phase haute température. Lorsqu'on lui applique une contrainte de traction ou de compression, on le force à passer dans sa phase basse température. Ce processus exothermique entraîne un échauffement du matériau et la libération de chaleur dans l'environnement. Une fois refroidi à température ambiante, la contrainte mécanique est relâchée. L'alliage peut alors retourner dans sa phase haute température et, comme il s'agit d'un processus endothermique, le matériau se refroidit », explique Paul Motzki. En résumé : lorsqu'un fil de nickel-titane est étiré, il libère de la chaleur dans l'air ou le liquide environnant ; une fois la contrainte relâchée, il se refroidit et absorbe la chaleur de l'environnement. Ce cycle répété de mise en tension et de relâchement de la contrainte mécanique est le principe fondamental de cette nouvelle technologie. Aucun capteur supplémentaire n'est nécessaire, car le matériau possède des propriétés de détection intrinsèques. Chaque déformation des fils correspond à une valeur de résistance électrique spécifique. Ainsi, les mesures de résistance nous indiquent précisément comment le matériau se déforme à un instant donné. « Concrètement, cela signifie qu'un capteur de position est intégré», explique Motzki.
Les chercheurs de Sarrebruck visent à maximiser le transfert de chaleur en maximisant la surface d'échange thermique. Plus la surface est grande, plus le transfert de chaleur vers le fluide caloporteur (air ou eau) est efficace. Jusqu'à présent, l'équipe a augmenté la surface d'échange en créant des faisceaux contenant de nombreux fils ultrafins à mémoire de forme. Dans la prochaine génération de ces dispositifs, les éléments chauffants et refroidissants offriront une surface de contact encore plus importante grâce à l'intégration d'une structure géométrique poreuse en nickel-titane. Pour ce faire, l'équipe de Paul Motzki collabore avec celle de Dirk Bähre afin de développer une structure complexe en nickel-titane à travers laquelle le fluide caloporteur (air ou eau) peut circuler. Les chercheurs perfectionnent et optimisent actuellement la conception de ces délicats réseaux d'alliage. Diverses géométries complexes sont testées expérimentalement afin de déterminer quelles structures permettent un transfert de chaleur optimal. Ces structures tridimensionnelles en alliage sont fabriquées couche par couche grâce à la fabrication additive, à l'aide d'une imprimante 3D.

Préparation de la technologie pour des applications concrètes.
Parallèlement aux expériences et aux essais en laboratoire, Motzki et son équipe travaillent également au développement du domaine émergent de l'élastocalorique en vue d'applications concrètes. Les matériaux utilisés dans les futurs systèmes de réfrigération élastocaloriques doivent être adaptés à un fonctionnement continu dans les réfrigérateurs et les unités de réfrigération. « Nous nous efforçons de développer des matériaux et des conceptions suffisamment robustes pour une utilisation continue et faciles à entretenir. Nous intégrons dès le départ les questions relatives aux applications futures potentielles dans le processus de développement ; il s'agit d'un principe fondamental de notre recherche qui influence également les programmes de nos formations, telles que l'ingénierie des systèmes et des matériaux et l'ingénierie durable », explique Paul Motzki, qui, à l'instar de Dirk Bähre, implique de nombreux doctorants et étudiants de licence dans ces travaux.

L'une des questions abordées expérimentalement est celle de la manière de soumettre les matériaux à des contraintes mécaniques tout en garantissant une longue durée de vie. Cela implique d'adapter les propriétés de l'alliage aux cycles de traction et de compression. « Par exemple, pour les conceptions utilisant des faisceaux de câbles, nous visons une durée de vie supérieure à un million de cycles », explique Paul Motzki. Cependant, même les meilleurs matériaux finissent par s'user. « C'est pourquoi nous développons également un concept de remplacement simple et rapide. Nous concevons les composants concernés de manière à ce qu'ils puissent être facilement interchangés, car la facilité de maintenance est un facteur clé pour que cette nouvelle technologie puisse être déployée de manière fiable au quotidien», précise Motzki.

Financements et projets actuels en élastocalorique :
Le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace finance le projet « DEPART!Saar » à hauteur de 18 millions d’euros dans le cadre de son programme « T!Raum ». Ce projet vise à renforcer l’économie sarde en développant des structures régionales d’innovation et de transfert de connaissances qui accélèrent la mise en application concrète de la technologie élastocalorique. Dans le cadre du projet SmartCool, financé par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie, des ingénieurs de Sarrebruck collaborent avec Volkswagen AG, Fraunhofer IPM et Ingpuls pour développer des systèmes de refroidissement légers et économes en énergie pour véhicules électriques. Dans un autre projet de recherche, l’équipe collabore avec des partenaires européens au développement d’un système de climatisation élastocalorique permettant de chauffer et de rafraîchir des pièces individuelles dans des bâtiments résidentiels. Le consortium du projet, dirigé par Paul Motzki, recevra un financement total de 4 millions d’euros dans le cadre du programme « EIC Pathfinder Challenge » du Conseil européen de l’innovation. Grâce à un financement complémentaire du Conseil européen de la recherche (ERC) sous forme de bourse de démarrage, Paul Motzki et son équipe font progresser la technologie élastocalorique en combinant, pour la première fois au monde, des matériaux à mémoire de forme et des actionneurs à couches intelligentes. Les élastomères diélectriques constituent le second domaine des matériaux intelligents dans lequel Paul Motzki est un expert reconnu.