Une cape thermique active pour le contrôle ciblé de la température

Publié par Redbran le 27/09/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
En utilisant une distribution de pompes à chaleur à effet Peltier, des chercheurs de l'Institut Fresnel ont montré mathématiquement et par simulation numérique que l'on pouvait rendre indétectable par des mesures thermiques un objet ou une source de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). Ce type de dispositif pourrait servir à contrôler de manière ciblée la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) dans un milieu.


Simulation numérique de l'effet de la dissimulation d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) par une cape thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) active.
- Colonne de gauche: en l'absence de cape, les isothermes circulaires émises par la source de chaleur sont déformées par l'objet (en noir), dont la présence peut ainsi être détectée.
- Colonne de droite: quand l'objet est entouré par la cape active (en rouge), les isothermes ne sont plus déformées: l'objet reste indétectable par des mesures thermiques.
© M. Cassier, T. DeGiovanni, S. Guenneau and F. Guevara Vasquez.

Une cape d'invisibilité (L'invisibilité est l'état d'un objet ou d'un organisme vivant qui ne peut être vu,...) passive est un métamatériau qui manipule les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétiques pour dissimuler la présence d'un objet. Le même principe peut être appliqué pour rendre un objet indétectable par des mesures thermiques. C'est ce que proposent des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/AMU), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de l'Utah (Département de mathématiques) et de l'International Research Laboratory Abraham de Moivre (CNRS/Imperial College London), mais en remplaçant cette fois le métamatériau par des éléments actifs: des pompes à chaleur à effet Peltier (L'effet Peltier (aussi appelé effet thermoélectrique) est un phénomène physique de déplacement...), qui transportent de la chaleur à l'aide d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) à travers une jonction métallique. Cette approche permet, d'une part, un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) plus fin du phénomène de ''cloaking'' et d'autre part évite la construction de métamatériaux aux propriétés physiques complexes, difficiles à fabriquer.

Dans cette étude à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre les mathématiques, la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...), publiée dans la revue Proceeding of the royal society A, les chercheurs ont créé un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils,...) d'une cape thermique active, et ont prouvé théoriquement et par simulation numérique qu'une distribution d'éléments à effet Peltier pouvait rendre un objet à l'intérieur du dispositif quasiment indétectable par une mesure thermique réalisée de l'extérieur. Le même dispositif peut dissimuler la présence d'une source active de chaleur. Les simulations ont aussi montré qu'une cape thermique active pouvait tromper un observateur en imitant la réponse thermique d'un autre objet ou d'une autre source de chaleur. D'autres études avaient précédemment démontré l'efficacité d'une cape thermique active en régime stationnaire, mais ces derniers travaux étendent pour la première fois le principe à un régime transitoire, permettant un contrôle quasi instantané de l'évolution de la température dans un milieu.

Parmi les applications potentielles des capes thermiques actives figurent le contrôle ciblé des flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...), par exemple dans des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) solaires, ou dans des circuits électroniques. Leur réalisation pratique est envisageable, car des pompes à chaleur à effet Peltier existent sous la forme de petits composants thermo-électriques, et sont déjà utilisées en ingénierie.

Les chercheurs veulent maintenant étudier d'autres applications potentielles du même type de dispositifs. En effet, le modèle mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) utilisé peut s'appliquer à d'autres phénomènes impliquant de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), afin, par exemple, de contrôler la diffusion d'une substance chimique dans un milieu, et notamment d'un médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant...) dans un tissu biologique.

Références:
Active thermal cloaking and mimicking
M. Cassier, T. DeGiovanni, S. Guenneau and F. Guevara Vasquez.
Proceeding of the royal society A, Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 447, Issue 2249, May 2021.
https://doi.org/10.1098/rspa.2020.0941

Contacts:
- Maxence Cassier - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au sein de l'Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/AMU) - maxence.cassier at fresnel.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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