En France, l’industrie représente près de 18 % de nos émissions de gaz à effet de serre. Pour réussir le défi de la décarbonation, la recherche ligérienne mise sur l'innovation technologique. Au sein du laboratoire LTeN à Nantes, un projet PULSAR explore une solution surprenante : utiliser l'impression 3D pour concevoir des échangeurs thermiques ultra-efficaces pour la production d'énergie.

Des « éponges » en céramique pour piéger le rayonnement et doper le rendement énergétique

Pour réussir le défi majeur de la décarbonation industrielle, remplacer les énergies fossiles ne suffit pas : il faut aussi inventer des systèmes de production et de conversion d'énergie ultra-efficaces. Une des clés réside dans l'utilisation de céramiques réfractaires, des matériaux capables de supporter des chocs thermiques extrêmes. Grâce à l'impression 3D, nous pouvons désormais concevoir ces céramiques sous forme d'architectures poreuses complexes. Véritables éponges à chaleur, ces céramiques jouent le rôle d'absorbeurs solaires et permettent de produire de l'énergie verte dans les centrales solaires à concentration. Cependant, un obstacle de taille se dresse : pour obtenir le rendement maximal possible, la forme de ces pores ne doit rien au hasard. Elle doit être optimisée au dixième de millimètre près.

Le défi : comprendre l'interaction entre le rayonnement solaire et le matériau à haute température

Pour concevoir l'architecture idéale, nous devons impérativement savoir à l'avance comment la géométrie de la céramique influence ses propriétés radiatives (c'est-à-dire sa capacité à absorber, réfléchir ou transmettre le rayonnement thermique). En clair : il faut comprendre comment la lumière et la chaleur voyagent, se piègent ou s'échappent à travers les pores du matériau lorsqu'il est chauffé par le rayonnement solaire. C’est l'un des sujets de recherche menés à Nantes au Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN).

La solution : comprendre et modéliser le comportement thermique à haute température

Pour mesurer ce phénomène invisible à l'œil nu, le projet déploie une méthode de pointe : la thermo-spectroscopie infrarouge. En adaptant des montages expérimentaux de haute précision déjà présents au laboratoire et en développant de nouveaux modèles de calcul mathématique, nous parvenons à caractériser :

• Les propriétés radiatives globales : obtenues en reliant nos mesures physiques à des modèles théoriques complexes.
• Le comportement thermo-mécanique : mesuré à travers les champs de température pour s'assurer que l'architecture créée reste durable et ne se fissure pas sous la contrainte.

En parvenant à comprendre et à modéliser précisément ces échanges thermiques au cœur de la matière, ces travaux permettent de concevoir des architectures poreuses sur mesure. À la clé : des systèmes énergétiques au rendement maximal, prêts à propulser l'industrie vers l'ère du zéro carbone.

Ce projet de recherche est soutenu par la Région Pays de la Loire dans le cadre du dispositif PULSAR (L’Académie des jeunes chercheurs), qui vise à propulser les talents scientifiques ligériens au service des grands défis de notre société.