L'équipe de recherche dirigée par les professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki de l'Université de la Sarre développe actuellement des prototypes de systèmes destinés aux véhicules. L'objectif est une commercialisation d'ici cinq ans.

En physique, le froid est simplement l'absence de chaleur. Pour refroidir un objet, il faut lui retirer de la chaleur ; pour le chauffer, il faut lui en apporter. Une idée relativement simple, que des chercheurs de Sarrebruck ont ​​su mettre en œuvre de manière particulièrement innovante. L'équipe exploite une propriété particulière de l'alliage nickel-titane à « mémoire de forme » (nitinol ou Ni-Ti). En bref, en étirant à plusieurs reprises des faisceaux de fils ou de feuilles de nitinol ultrafins, puis en les laissant se détendre, la chaleur est absorbée à un endroit puis dissipée à un autre. Forte de ce principe élémentaire, l'équipe de recherche dirigée par Stefan Seelecke et Paul Motzki, de l'Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d'automatisation (ZeMA) de Sarrebruck, développe cette nouvelle technologie de climatisation dans le cadre de projets de recherche novateurs ayant bénéficié de financements de plusieurs millions d'euros.

La technologie élastocalorique a été reconnue par la Commission européenne comme l'une des alternatives les plus prometteuses aux systèmes de chauffage et de refroidissement conventionnels. Le Forum économique mondial a inclus le procédé élastocalorique dans sa liste des « Dix technologies émergentes prioritaires » pour 2024. Comparée aux technologies de refroidissement conventionnelles, qui consomment d'importantes quantités d'énergie et peuvent polluer l'environnement avec des fluides frigorigènes et des gaz à effet de serre nocifs pour le climat, la technologie développée à Sarrebruck est plus économe en énergie et aussi propre que l'électricité utilisée pour son fonctionnement. Les systèmes élastocaloriques éliminent les fluides frigorigènes et les combustibles fossiles polluants. Le domaine de l'élastocalorique, dont Stefan Seelecke et Paul Motzki sont parmi les pionniers, a le potentiel de jouer un rôle majeur dans la lutte contre la crise énergétique mondiale. Selon l'Agence fédérale allemande de l'environnement, la consommation finale d'énergie (c'est-à-dire l'énergie totale consommée par les utilisateurs finaux) pour le chauffage et le refroidissement représente un peu plus de la moitié de la consommation finale totale d'énergie de l'Allemagne. Par ailleurs, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) indique que la climatisation des bâtiments représente à elle seule 12 % de la demande énergétique mondiale totale. « Les prévisions montrent que ce chiffre pourrait tripler d’ici 2050 », déclare Paul Motzki, professeur de systèmes de matériaux intelligents pour la production innovante à l’Université de la Sarre et directeur scientifique et PDG de ZeMA.

La technologie élastocalorique entre dans sa phase de maturité. Les chercheurs souhaitent vivement traduire leurs découvertes en solutions industrielles et commerciales concrètes. Afin de faciliter le transfert de connaissances, le gouvernement allemand investit plus de 17 millions d'euros sur neuf ans dans le projet DEPART!Saar, qui vise à mettre en relation les chercheurs de la Sarre avec les institutions de recherche et les partenaires industriels.

Dans le cadre d'un autre projet récemment lancé, l'équipe de Sarrebruck collabore avec Volkswagen AG, l'Institut Fraunhofer de techniques de mesure physique (IPM) de Fribourg et la société Ingpuls GmbH de Bochum. L'objectif est d'utiliser la technologie élastocalorique pour développer un système de climatisation léger et écoénergétique pour véhicules électriques, ainsi qu'un système de refroidissement des batteries de traction de ces mêmes véhicules. « Le projet a reçu un financement de 3,5 millions d'euros du ministère fédéral allemand de l'Économie et de l'Action climatique, et nous développons actuellement les premiers prototypes », explique Paul Motzki.

Dans le cadre d'un autre projet de recherche novateur, l'équipe travaille sur un système de climatisation élastocalorique permettant de climatiser et de chauffer des pièces individuelles d'un immeuble résidentiel grâce à des fentes de ventilation pratiquées dans les murs extérieurs. L'année dernière, Paul Motzki et son équipe ont fait partie d'un consortium européen lauréat du prestigieux prix EIC Pathfinder Challenge du Conseil européen de l'innovation, doté de 4 millions d'euros. Ce prix récompense les « technologies visionnaires et novatrices susceptibles de faciliter les transitions sociétales nécessaires, de relever les défis mondiaux et de créer de nouveaux marchés ». Au cours des trois prochaines années, un prototype de système de climatisation sera développé au sein de SMACool, dont les partenaires incluent l'Université de Ljubljana, l'Université de Naples Federico II et la société irlandaise exergyn. « Le système élastocalorique fonctionne à la fois comme un refroidisseur et une pompe à chaleur. Avec une efficacité trois à cinq fois supérieure à celle d'un système conventionnel, notre technologie consomme beaucoup moins d'électricité », explique le professeur Motzki, responsable scientifique du projet.

Que ce soit pour le refroidissement ou le chauffage, l'équipement est capable d'atteindre des écarts de température d'environ 20 °C. « Ceci s'applique à un composant mono-étage », explique Motzki. « En construisant des systèmes multi-étages, nous pouvons atteindre des écarts de température bien plus importants. » Tous les prototypes élastocaloriques développés à Sarrebruck reposent sur la propriété inhabituelle de « mémoire de forme » de l'alliage nickel-titane. Le nickel-titane possède deux réseaux cristallins, c'est-à-dire deux phases cristallographiques aux dimensions physiques légèrement différentes. Le terme « alliage à mémoire de forme » (AMF) décrit la capacité du matériau à retrouver un état antérieur (structure cristalline) grâce à une transformation de phase réversible. On sait que l'eau peut exister sous trois états physiques ou « phases » : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur d'eau). Mais contrairement à l'eau, les phases du nickel-titane sont toutes deux à l'état solide. Lorsqu'une phase se transforme en l'autre, les fils ou les feuilles d'AMF absorbent la chaleur. Lors d'une nouvelle transformation de phase, le matériau dissipe la chaleur dans son environnement. Ainsi, l'air qui circule sur l'alliage nickel-titane pendant un changement de phase se refroidit ou se réchauffe, et cet effet peut être utilisé, par exemple, pour chauffer ou refroidir des espaces à l'intérieur des bâtiments. « Selon l'application, nous utilisons des fils en alliage à mémoire de forme, des feuilles minces, voire des composants imprimés en 3D aux géométries complexes », explique Motzki.

Bien que le principe de base paraisse simple, la création d'un système de chauffage et de refroidissement pratique à partir de ces matériaux exige une ingéniosité technique remarquable. Des experts de Sarrebruck ont ​​conçu des prototypes précis capables de fonctionner en continu. Ils ont construit des modèles de démonstration capables d'induire en continu des transformations de phase dans des feuilles ou des fils métalliques, permettant ainsi le transfert de chaleur vers ou depuis un fluide tel que l'air, l'eau ou un mélange eau-glycol circulant sur le matériau à mémoire de forme (AMF). L'équipe s'intéresse notamment à la manière d'appliquer au mieux les contraintes mécaniques à l'alliage nickel-titane pour obtenir l'effet de chauffage ou de refroidissement souhaité, à l'amélioration du rendement du procédé, à l'optimisation des flux de fluides et à la forme de feuille ou de faisceau de fils la plus adaptée à une application donnée. Les chercheurs ont également développé un logiciel permettant d'affiner la technologie de chauffage et de refroidissement pour différentes applications, ainsi que de simuler et de planifier des systèmes de refroidissement. « Nous souhaitons exploiter le potentiel innovant de l'élastocalorique dans un large éventail d'applications, allant des appareils ménagers aux systèmes de refroidissement industriels », explique Paul Motzki. L'équipe de Sarrebruck collabore avec d'autres experts du domaine, tels que Ingpuls GmbH, afin d'examiner l'ensemble du cycle de vie du produit, des matières premières à la fabrication des composants et au recyclage en fin de vie.

La technologie développée à Sarrebruck est le fruit de plus de 15 ans de recherche, menée dans le cadre de projets de plusieurs millions d'euros et de thèses de doctorat récompensées par de nombreux prix internationaux. Parmi les résultats obtenus figurent le premier prototype mondial de l'effet élastocalorique continu air-air et le premier mini-réfrigérateur élastocalorique au monde.

Le réfrigérateur élastocalorique est doté d'un système de cames breveté et spécialement conçu qui fait tourner en continu des faisceaux de fils de nitinol de 200 microns d'épaisseur autour d'une chambre de refroidissement circulaire. Lors de leur rotation, les faisceaux de fils sont tendus d'un côté du cercle, puis relâchés de l'autre. L'air circule à travers les faisceaux en rotation et pénètre dans la chambre de refroidissement, où les fils se détendent (reprennent leur forme initiale), absorbant ainsi la chaleur de l'air. En continuant de tourner, les fils de nitinol chauffés évacuent la chaleur absorbée hors de la chambre de refroidissement. Une fois à l'extérieur, ils la transfèrent à l'environnement extérieur. « À l'intérieur de la chambre de refroidissement, l'air n'entre en contact qu'avec les fils non tendus. Avec ce prototype, nous pouvons atteindre des températures d'environ 15 degrés Celsius », explique Paul Motzki.

« Un autre aspect important de notre technologie est son autodétection. Chaque valeur de résistance électrique correspond à un état de déformation particulier des faisceaux ou des feuilles de fils. Grâce à l'intelligence artificielle, notre système est désormais capable de reconnaître la position précise de manière efficace et exacte en permanence, même en cas d'interférences », explique le professeur Motzki.

Contexte :
Technologie de la mémoire de forme.
L’équipe de recherche sur les matériaux intelligents de l’Université de la Sarre et du Centre de mécatronique et d’automatisation (ZeMA) de Sarrebruck a été fondée par le professeur Stefan Seelecke. En collaboration avec le professeur Paul Motzki, la recherche dans ce domaine a connu un essor considérable ces dernières années. L’équipe utilise la technologie de la mémoire de forme pour un large éventail d’applications, allant des pinces robotiques aux vannes et pompes à haut rendement énergétique. Cette technologie est étudiée dans le cadre de nombreux projets de recherche de niveau licence, master et doctorat. De nombreux résultats ont été largement diffusés dans des revues scientifiques à fort impact, et plusieurs articles ont reçu une reconnaissance internationale. La recherche a bénéficié d’un financement important de l’Union européenne et de la Fondation allemande pour la recherche (DFG).

Les professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki ont récemment fondé la Société internationale d'élastocalorique. Basée à Sarrebruck, cette société scientifique internationale a pour objectif de fédérer la communauté de recherche dans ce domaine émergent et de créer des liens avec l'industrie et les entreprises en vue de la future commercialisation de la technologie élastocalorique. La deuxième Conférence internationale sur l'élastocalorique se tiendra à Sarrebruck du 13 au 15 mai 2025. Les années suivantes, la conférence se déroulera chaque année dans un pays différent.