Les matériaux intelligents génèrent de l’électricité et prennent en charge la régulation de la température grâce au refroidissement
(Nouvelles de Nanowerk) Les appareils électroniques miniaturisés portés sur le corps, appelés appareils portables, vérifient les fonctions vitales, comptent les pas ou fournissent des informations sur la circulation et la météo. Afin d’alimenter en continu ces compagnons techniques, des chercheurs de l’Institut de technologie photonique de Leibniz (Leibniz IPHT), en collaboration avec une équipe d’ITP GmbH à Weimar, en Allemagne, et le fabricant de textile E. CIMA en Espagne, ont développé un matériau qui fournit l’énergie requise indépendamment des sources d’alimentation externes : les textiles modernes et intelligents convertissent la chaleur corporelle en électricité à l’aide d’effets thermoélectriques, qui peuvent être stockés dans une batterie.
Alimentation indépendante
« Notre vision est d’utiliser des matériaux textiles pour la production d’énergie. Flexibles, axés sur la demande et respectueux de l’environnement, ces tissus intelligents peuvent fournir de l’énergie aux appareils mobiles destinés à l’électronique grand public ou aux applications de santé. Les montres intelligentes ou les bracelets de fitness sont portés directement sur le corps et peut ainsi être alimenté à tout moment. Les paramètres vitaux peuvent, par exemple, être mesurés et surveillés en continu », explique le Dr Jonathan Plentz, responsable du groupe de recherche Photonic Thin Film Systems à Leibniz IPHT.
Focus sur les humains pour la production d’énergie
Pour la production d’électricité, les chercheurs d’Iéna utilisent des générateurs thermoélectriques, qui convertissent la propre chaleur du corps en énergie électrique (effet Seebeck). À cette fin, des revêtements en couche mince sous forme d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (Al:ZnO) sont appliqués sur des tissus textiles en tant que couche fonctionnelle thermoélectrique.
Les chercheurs ont pu mesurer les effets thermoélectriques avec des sorties allant jusqu’à 0,2 µW au moyen de différences de température entre la surface de la peau de l’utilisateur et la température ambiante ou au moyen de la chaleur résiduelle industrielle. L’électricité produite pourrait être stockée dans une batterie pour répondre aux besoins énergétiques des appareils électroniques pour la santé ou le sport.
« Cela rend l’approvisionnement énergétique des appareils autonome », explique le Dr Gabriele Schmid, chef de projet chez Leibniz IPHT.
Refroidissement thermoélectrique pour plus de sécurité et de bien-être
Les textiles intelligents peuvent faire bien plus : L’effet thermoélectrique peut également être utilisé pour le refroidissement au moyen de l’énergie électrique et ainsi être utilisé pour des applications de refroidissement et de régulation de température (effet Peltier).
Plentz voit un domaine d’application possible dans l’industrie sidérurgique : « Les travailleurs des hauts fourneaux sont exposés à des niveaux de chaleur élevés. Même après une courte période, leur température corporelle augmente considérablement en raison de la chaleur environnante. Les tissus de refroidissement intelligents intégrés dans les vêtements de protection peuvent aident à mieux réguler la température corporelle. De plus, les matières textiles se caractérisent notamment par leur perméabilité à l’air, leur légèreté et leur flexibilité, qui ont non seulement un effet positif sur la gestion thermique, mais offrent également un confort supplémentaire dans les environnements de travail difficiles.
Lors des tests, le refroidissement Peltier a démontré une différence de température allant jusqu’à 12 °C, ce qui est unique pour les éléments thermoélectriques textiles. À l’avenir, cela pourrait non seulement être utilisé pour contrôler les températures dans les zones de processus critiques de l’industrie, mais également pour offrir une protection encore meilleure aux policiers et aux pompiers en utilisant des textiles intelligents dotés de propriétés rafraîchissantes.
Une régulation active de la température corporelle avec un haut niveau de confort textile est également très importante dans le domaine du bien-être et dans le milieu médical (par exemple, pour faire baisser la fièvre). Le refroidissement des marchandises transportées au moyen de textiles fonctionnalisés ouvre d’autres domaines d’application.
Éditions originales
G. Schmidl et al. : Tissus d’espacement 3D pour le refroidissement thermoélectrique des textiles et la production d’énergie à base d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium. Matériaux et structures intelligents 29 (2020) 125003, https://doi.org/10.1088/1361-665X/abbdb5
G. Schmidl et al. : Tissus d’espacement 3D revêtus d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium avec contacts en cuivre plaqué autocatalytique pour générateurs thermoélectriques textiles. Matériaux Aujourd’hui Énergie 21 (2021) 100811, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100811