Forme

Mar 03, 2024

Un prototype de moteur à chaleur perdue fonctionne en faisant circuler de l'eau chaude et froide à travers ses pistons

Il y a cinq ans, un scientifique, un ingénieur et un homme d'affaires se sont rencontrés dans une cour de Dublin pour mener une expérience. Ils chauffaient de l’eau dans une théière électrique, puis la versaient dans un segment de tuyau divisé en deux. Au bas du half-pipe se trouvait un morceau de fil de fer, et l'un des hommes tenait une règle à côté. Au fur et à mesure que l'eau chaude jaillissait du tuyau, le fil se raccourcissait de plusieurs centimètres ; lorsqu'ils y versèrent de l'eau froide, il reprit sa longueur initiale. Le trio pensait qu’ils pourraient être sur quelque chose de grand.

L’étrange fil métamorphique qu’ils ont testé était constitué d’un matériau appelé alliage à mémoire de forme. De tels métaux(et certains non-métaux) se déplacer dans et hors de formes prédéterminées lorsqu’il est soumis à certaines températures ou à une pression ou à des stimuli électriques. Inventé il y a 60 ans, l’alliage à mémoire de forme a été utilisé dans des domaines tels que la biomédecine et l’ingénierie aéronautique. Mais l’une de ses applications les plus insaisissables consiste à récupérer l’énergie de l’eau chaude. Aujourd'hui, ces anciens expérimentateurs de basse-cour, fondateurs d'une société appelée Exergyn, affirment avoir créé un moteur qui utilise du fil de transformation et de l'eau chaude provenant des processus industriels pour produire de l'électricité.

Aux États-Unis, environ un tiers de l’énergie utilisée par l’industrie est perdue sous forme de chaleur, selon certaines estimations. "Une grande partie de l'énergie est gaspillée dans les processus industriels ou lors des échanges thermiques, lorsque l'eau est utilisée pour refroidir des machines ou des centrales électriques", explique Rigoberto Advincula, professeur de sciences macromoléculaires à l'Université Case Western et expert en chaleur perdue. connecté à Exergyn. L'eau chauffée produite comme sous-produit d'applications industrielles, y compris la production d'électricité, n'est pas assez chaude pour produire de la vapeur capable d'alimenter un moteur pour faire fonctionner un générateur.

Certaines centrales électriques et utilisateurs industriels envoient leurs eaux usées chaudes via des moteurs secondaires, qui convertissent un petit pourcentage de l'énergie contenue dans cette eau en électricité en utilisant un processus appelé cycle organique de Rankine. Cette technologie nécessite toutefois des produits chimiques pour générer de l’énergie à partir de l’eau chauffée. Certains des meilleurs produits chimiques pour ce faire sont dangereux ou nocifs pour l’environnement et sont donc souvent interdits ou restreints. Les produits chimiques plus propres ne tirent pas aussi efficacement l’énergie des eaux usées. Cela ajoute aux coûts opérationnels de fonctionnement de ces moteurs, ce qui signifie qu'ils ne sont pas toujours rentables, selon Jonathan Koomey, professeur de systèmes terrestres à l'École des sciences de la Terre, de l'énergie et de l'environnement de l'Université de Stanford, qui n'est pas associé à Exergyn.

C'est là qu'interviennent les fils de morphing. Les alliages à mémoire de forme ont des propriétés moléculaires uniques : ils se déplacent entre des formes prédéterminées en fonction de leurs températures. C'est pourquoi ce matériau est au cœur du nouveau moteur d'Exergyn, qui utilise du nitinol, une variante de l'alliage à mémoire de forme original. "Le nom représente le fait qu'il s'agit d'un alliage de nickel (Ni) et de titane (Ti) et le NOL fait référence au [ancien] Naval Ordnance Laboratory, où le nitinol a été inventé", explique Preston MacDougall, professeur de chimie à Middle Tennessee. State University, qui n’est pas connectée à Exergyn.

À l’échelle moléculaire, le nitinol est étrangement ordonné. « La plupart des alliages n’ont pas de véritable structure au niveau moléculaire. Ils sont comme des solutions de métaux, par opposition à un arrangement ordonné à l'intérieur de quelque chose comme un cristal de sel ou un diamant », explique MacDougall. Les molécules de nitinol forment cependant des cuboïdes réguliers avec des angles de 90 degrés. Au microscope, dit MacDougall, cela ressemble à un tas de boîtes à chaussures empilées..Chauffez ces molécules et elles se réorientent très légèrement – ​​les angles droits deviennent aigus ou obtus – de telle sorte que le matériau se contracte.Refroidissez le matériau et les molécules retrouvent leurs angles droits, et l'alliage à mémoire de forme retrouve sa taille et sa forme d'origine.

Le moteur d'Exergyn exploite ce comportement de changement de forme pour transformer les eaux usées en électricité. Ses développeurs affirment que le moteur pourrait être installé dans un système de plomberie de récupération de chaleur, où il ferait circuler l'eau chaude dans ses chambres à piston cylindriques. Chaque piston est attaché à un fil de nitinol. « À mesure que l'eau chaude arrive, [le fil] se contracte relativement peu, mais de manière très puissante », explique Alan Healy, PDG d'Exergyn. Ensuite, le moteur fait circuler de l’eau froide dans la chambre du piston. Le nitinol se dilate et le piston ressort. De l’autre côté du piston se trouve un fluide visqueux. Le piston mobile pousse le fluide à travers une transmission hydraulique qui fait tourner un générateur, créant ainsi de l'électricité. "Utiliser les propriétés de ces matériaux pour générer de l'énergie semble contre-intuitif