Faire du froid avec du son

Publié par Adrien le 02/11/2021 à 09:00
Source: ASP
Dans son récent rapport sur l'avenir du refroidissement, l'Agence internationale de l'énergie sonne l'alerte: le nombre de climatiseurs dans le monde pourrait tripler d'ici 2050, ce qui provoquerait une véritable catastrophe énergétique avec une hausse de près de 50 % des émissions de CO2. Refroidir les bâtiments tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en accélérant le réchauffement planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...), voilà un paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) difficile à accepter. Face à ce constat, des scientifiques de divers pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) travaillent sur une alternative écologique: la thermoacoustique, c'est-à-dire la production de froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) avec des ondes sonores. Étudié depuis plus de trente ans en laboratoire, ce procédé franchit progressivement le cap de l'industrialisation.


Quel est le point (Graphie) commun entre la célèbre marque de crème glacée Ben & Jerry's et la navette spatiale (Une navette spatiale, dans le domaine de l’astronautique, est un véhicule...) Discovery ? Le froid. Au tournant des années 2000, alors que la compagnie derrière les douceurs glacées cherchait de nouvelles façons de garder congelés ses desserts, la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) voulait trouver un moyen de conserver au frais les échantillons biologiques des astronautes. En collaboration avec une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) américaine de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'État de Pennsylvanie[1], elles ont toutes deux eu l'occasion de tester des prototypes réfrigérants innovants. Contrairement aux réfrigérateurs et congélateurs traditionnels, qui utilisent pour la plupart des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) appauvrissant la couche d'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes...)[2], ces machines particulières dites "thermoacoustiques" se passent de gaz polluants grâce à l'emploi ingénieux des ondes sonores.

Un phénomène moléculaire

Le lien entre la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et le son n'est pas évident. Le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) britannique Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) lui-même ne le considère pas lorsqu'il calcule, en 1687, la vitesse (On distingue :) du son, ce qui le mène à une valeur erronée. Un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) plus tard, le physicien français Simon Laplace réalise que le son modifie la température de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) quand il s'y propage ; il rectifie alors le calcul[3].

La compréhension de ce phénomène se fait à l'échelle moléculaire. Le son, en se propageant dans l'air, comprime puis détend successivement les molécules d'air qu'il rencontre. Or, lorsqu'un gaz se détend, il refroidit et, inversement, quand un gaz se comprime, il s'échauffe. La variation de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) causée par l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) sonore induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) alors une variation de température. Ce processus correspond au principe de la réfrigération thermoacoustique, qui convertit l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...) (relative au son) en énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) (relative à la chaleur).

En se propageant dans l'air, le son d'une voix crée ainsi une variation de la température de quelques dix-millièmes de degrés Celsius (°C). Donc, rien ne sert de crier contre sa crème glacée pour l'empêcher de fondre ! Même à l'intensité sonore la plus élevée que supporte l'oreille (L'oreille est l'organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de...) humaine, la température n'oscillerait que de 0,02 °C, alors qu'un réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil...) traditionnel doit générer une différence de température avec l'extérieur d'une vingtaine de degrés environ[4].

Un design ingénieux

Pour optimiser la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du son, le réfrigérateur thermoacoustique est construit selon un design stratégique. Un long cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) fermé est relié par l'une de ses extrémités à un haut-parleur (Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un...) très puissant chargé de produire les ondes sonores. Ce tube emprisonne du gaz, généralement de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), qui va successivement se détendre et se comprimer au passage du son. Pourquoi de l'hélium ? Tout simplement parce que ce gaz est relativement abordable, qu'il conduit facilement la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) et, surtout, qu'il est inoffensif pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), contrairement aux gaz utilisés dans les réfrigérateurs traditionnels[5].

Pour créer des ondes suffisamment puissantes, les chercheuses et les chercheurs se sont inspirés des instruments de musique, qui possèdent souvent un système de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) capable d'amplifier le son créé. Une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) appropriée du cylindre permet à celui-ci de se comporter comme un résonateur dans lequel les ondes sonores rebondissent de manière optimale et gagnent ainsi en puissance. La puissance élevée de ces ondes mène à de larges oscillations de pression et donc à une variation importante de température. C'est le principe de la balançoire (La balançoire est un loisir pour les enfants, généralement de plein air, qui consiste à se...): quand la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) est faite au bon moment, une grande amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de mouvement peut être facilement produite. Ce phénomène de résonance permet aux réfrigérateurs thermoacoustiques d'atteindre une puissance sonore impressionnante de l'ordre de 190 décibels (dB)[6]. Pour éviter tout risque pour l'oreille humaine, qui serait endommagée à partir de 120 dB, les ondes sonores sont confinées dans le tube de résonance.

Pour faire fructifier au mieux ces variations de température, le réfrigérateur acoustique met le gaz en contact avec un élément solide, appelé "pile", constitué d'un empilement de plaques de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) qui conduisent rapidement la chaleur[7]. Sous l'effet de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) sonore, le gaz est contraint de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) au travers de cette pile, toujours dans le même sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...). Le gaz fonctionne alors comme une éponge (Les éponges constituent l’embranchement (vraisemblablement paraphylétique) des Spongiaires...): lorsqu'il est détendu, il absorbe la chaleur des parois environnantes de la pile et donc les refroidit. Puis, lors du passage de l'onde sonore, il se compresse (Une compresse (du Latin compressa désignant une chose pliée et serrée) est une...) d'un côté (vers la gauche, par exemple), s'échauffe et transmet sa chaleur à la pile, telle une éponge pressée de laquelle s'échappe du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...).

Une fois l'onde passée, le gaz se détend à nouveau, refroidit et retourne à sa position initiale. Puisque l'onde sonore se propage toujours dans le même sens, la chaleur se déplace toujours vers le même côté (gauche dans cet exemple) de la pile, et l'autre extrémité de la pile refroidit au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure. La chaleur produite est alors dissipée à l'extérieur de la machine, tandis que le côté froid peut servir, dans le cas d'un réfrigérateur, à refroidir le liquide y circulant. Les modèles les plus avancés de réfrigérateurs thermoacoustiques parviennent ainsi à descendre à des températures cryogéniques de l'ordre de -150 °C[8].

Une technologie prometteuse

Les avantages d'un réfrigérateur thermoacoustique sont nombreux. Tout d'abord, puisque l'onde sonore élimine le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'un compresseur (nécessaire dans les réfrigérateurs conventionnels), un tel réfrigérateur n'exige aucune pièce mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) mobile, ce qui lui assure une fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) accrue et une maintenance réduite. L'absence de compresseur, dont le ronronnement (Le ronronnement est une vocalisation émise par certains félins et viverridés....) est relativement bruyant, lui confère également l'avantage contre-intuitif d'être parfaitement silencieux, contrairement aux réfrigérateurs traditionnels. Dans ces derniers, le système se met en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) et fonctionne à plein régime lorsque la température est trop élevée, puis s'éteint complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) une fois la valeur désirée atteinte.

Un réfrigérateur thermoacoustique offre quant à lui une température plus constante puisqu'il se règle comme une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) stéréo, simplement par l'ajustement de la puissance sonore. Finalement, et c'est là son principal avantage, parce qu'il ne requiert pas de gaz frigorigènes polluants, le réfrigérateur sonore représente une solution écologique aux systèmes réfrigérants actuels[9].

Pourtant, les réalisations industrielles thermoacoustiques demeurent à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) anecdotiques. Difficiles à miniaturiser, ces machines peinent aussi à rivaliser avec la performance des électroménagers conventionnels[10]. À la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux...) entre l'acoustique, la thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...), la thermoacoustique met en effet en jeu des processus complexes que les scientifiques tentent activement de modéliser et d'optimiser[11].

Actuellement, la recherche s'intensifie particulièrement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de l'emploi judicieux de la conversion thermoacoustique inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), qui consiste à produire du son à partir de chaleur. Autrement dit, la chaleur peut être convertie en ondes sonores, elles-mêmes converties en froid par la suite[12]. Or, de nombreux systèmes qui doivent être refroidis, tels que les groupes électrogènes, les navires et les camions (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier...), génèrent de la chaleur non exploitée. En récupérant cette chaleur perdue, un tel couplage thermoacoustique permet de produire du froid avec pas ou peu d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) tout en valorisant de la chaleur qui serait autrement gaspillée[13].

Quelques entreprises se sont récemment spécialisées dans ces applications, réservées pour le moment au secteur industriel parce qu'elles nécessitent une source de chaleur importante[14]. Néanmoins, une fois optimisés et miniaturisés, les réfrigérateurs thermoacoustiques pourraient climatiser silencieusement et écologiquement les voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) et les habitations de demain.

Aujourd'hui, la reconnaissance des enjeux économiques et écologiques de la thermoacoustique ainsi que les récentes avancées dans le domaine font croître l'intérêt envers cette technologie et facilitent son développement pour des applications industrielles spécialisées. Malgré tout, un important effort d'optimisation doit encore être effectué avant que le réfrigérateur sonore soit chose courante dans les maisons.

Un article rédigé par Charlotte Remy, étudiante au programme de doctorat en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à l'Université de Montréal (L’Université de Montréal est l'un des quatre établissements d'enseignement...)

Références:

[1] Poese, M. E., Smith, R. W., Garrett, S. L., Van Gerwen, R. et Gosselin, P. (2004). Thermoacoustic refrigeration for ice cream sales. Proceedings of 6th IIR Gustav Lorentzen Conference. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.456.6139

Garrett, S. L., Adeff, J. A. et Hofler, T. J. (1993). Thermoacoustic refrigerator for space applications. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 7(4), 595-599.

[2] Hurwitz, M. M., Fleming, E. L., Newman, P. A., Li, F., Mlawer, E., Cady‐Pereira, K. et Bailey, R. (2015). Ozone depletion by hydrofluorocarbons. Geophysical Research Letters, 42(20), 8686-8692.

[3] Garrett, S. L. et Backhaus, S. (2000). The Power of Sound: Sound waves in “thermoacoustic” engines and refrigerators can replace the pistons and cranks that are typically built into such machinery. American Scientist, 88(6), 516-525.

[4] Ibid.

[5] Zolpakar, N. A., Mohd-Ghazali, N. et El-Fawal, M. H. (2016). Performance analysis of the standing wave thermoacoustic refrigerator: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 54, 626-634.

[6] Zink, F., Vipperman, J. S. et Schaefer, L. A. (2010). Environmental motivation (La motivation est, dans un organisme vivant, la composante ou le processus qui règle son...) to switch to thermoacoustic refrigeration.Applied Thermal Engineering, 30(2-3), 119-126.

[7] Garrett et Backhaus (2000), op. cit.

[8] Zink, Vipperman et Schaefer (2010), op. cit.

[9] Ibid.

[10] Ibid.

[11] Tartibu, L. K. (2019). Developing more efficient travelling-wave thermo-acoustic refrigerators: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 31, 102-114.

[12] Xu, J., Luo, E. et Hochgreb, S. (2020). Study on a heat-driven thermoacoustic refrigerator for low-grade heat recovery. Applied Energy, 271, 115167.

[13] Wang, H., Zhang, L., Hu, J., Yu, G., Wu, Z., Dai (Le Digital Access Index (DAI) est un indice créé par l'Union internationale des...), W. et Luo, E. (2021). Study on a novel looped heat-driven thermoacoustic refrigerator with direct-coupling configuration for room temperature cooling. International Journal of Refrigeration, 123, 180-188.

[14] TEDx Talks. (2020, 26 octobre). La révolution de l'énergie du son | Cédric François | TEDxRennes [vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...)]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=-soze8e2Quo&t=2s

SoundEnergy. (2019). Our technology. https://www.soundenergy.nl/our-technology/
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