Récupérer l'énergie infrarouge de la Terre

Des physiciens de l'école de Harvard de l'ingénierie et des sciences appliquées (SEAS) envisagent un dispositif qui utilise l'énergie des émissions infrarouges de la Terre vers l'espace à partir des fermes de panneaux solaires.

Chauffée par le soleil, la terre se réchauffe le jour et la nuit renvoie la chaleur accumulée. Les chercheurs Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes Senior Research Fellow à Harvard SEAS ont compris que le déséquilibre de température pourrait être transformé en une source d'énergie encore inexploitée.

"Ce n'est pas du tout évident, au premier abord, la façon dont vous pouvez générer de l'énergie à partir du rayonnement infrarouge de la Terre vers l'atmosphère refroidie", explique le chercheur principal Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes Senior Research Fellow à Harvard SEAS. "Produire de l'énergie naturelle sans absorption de lumière, n'est pas habituel. C'est logique physiquement, mais pas intuitif. Nous parlons de l'utilisation de la physique à l'échelle nanométrique pour une application entièrement nouvelle."

Capasso est un expert de renommée mondiale en physique des semi-conducteurs, de la photonique et de l'électronique à l'état solide. Il a co-inventé le laser infrarouge à cascade quantique en 1994, pionnier dans ces domaines, il a démontré un phénomène électrodynamique quantique appelé la force de Casimir pour laquelle il a reçu la médaille d'or SPIE, le Prix Société européenne de physique pour l'Électronique quantique et l'Optique, et le Prix Jan Czochralski pour sa carrière.

"La bande IR moyen de 3,50 µm a été, dans l'ensemble, une partie négligée du spectre", dit Capasso. "Même pour la spectroscopie, jusqu'à la création du laser à cascade quantique. Cette bande IR a toujours été considérée comme un domaine très difficile a exploiter."

Maintenant, Capasso et son équipe de recherche proposent quelque chose qui ressemble à un panneau solaire photovoltaïque, mais au lieu de capter la lumière , le dispositif produit de l'énergie électrique en provenance de la lumière infrarouge.

Pour montrer l'éventail des possibilités, le groupe de Capasso propose deux types de capteurs. Le premier type consisterait en une plaque "chaude" à la température de la terre et de l'air, avec une plaque "froide" au dessus de celle-ci. La plaque froide, serait constituée d'un matériau très émissif qui refroidit par rayonnement très efficacement la chaleur vers le ciel. Sur la base de mesures des émissions infrarouges à Lamont, Oklahoma, les chercheurs ont calculé que la différence de chaleur entre les plaques pourrait générer quelques watts par mètre carré, jour et nuit. Garder la plaque "froide" plus froide que la température ambiante serait difficile, mais ce dispositif illustre le principe général: les différences de température peuvent générer l'énergie.

"Cette approche est assez intuitive, car nous combinons les principes des moteurs thermiques et du refroidissement radiatif", dit Byrnes. "Si vous avez deux composants à la même température, évidemment, vous ne pouvez pas extraire de l'énergie, mais si vous avez deux températures différentes vous le pouvez", dit Capasso. "Mais ce n'est pas simple au niveau du comportement des d'électrons, l'explication est beaucoup moins intuitive."

Le résultat, d'après Byrnes, est que "vous obtenez un courant électrique issu directement du processus de rayonnement, sans l'étape intermédiaire de refroidissement d'un objet macroscopique." Selon le document, un dispositif plat unique pourrait être revêtu de ces circuits, et pourrait produire de l'énergie.

Autre approche l'optoélectronique

"Beaucoup de recherches ont été effectuées sur des diodes infrarouges pendant 50 ans sans beaucoup de résultats, mais les progrès récents, tels que la nanofabrication ont amélioré sensiblement les performances et le processus de fabrication", d'après Byrnes.

Cependant, même avec les meilleures diodes infrarouges actuelles, il y a un problème. "Si vous captez l'énergie des émissions infrarouges , la tension sera relativement faible", explique Byrnes. "Cela signifie qu'il est très difficile de créer une diode infrarouge qui va bien fonctionner."

Les ingénieurs et les physiciens, y compris Byrnes, envisagent déjà de nouveaux types de diodes qui peuvent gérer des tensions plus faibles, tels que les diodes tunnels. Une autre approche consisterait à augmenter l'impédance des composants de circuits, ce qui augmente la tension à un niveau plus pratique.

La vitesse présente un autre défi. "Seule une classe de diodes peut s'allumer et s'éteindre moins de 30 billion de fois par seconde, et c'est ce que nous avons besoin pour les signaux infrarouges", d'après Byrnes. "Nous devons faire face aux exigences de vitesse en même temps nous traitons avec les exigences de tension et d'impédance. Maintenant que nous comprenons les contraintes et les spécifications," ajoute Byrnes, "nous sommes dans une bonne position pour travailler sur l'ingénierie d'une solution."

Pour plus d'information voir (en anglais) "Infrared: A new renewable energy source?" http://www.seas.harvard.edu/news/2014/0 ... rgy-source