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D'énormes quantités d'énergie sont perdues chaque jour sous forme de chaleur résiduelle. C'est pourquoi certains chercheurs travaillent à la conception de matériaux thermoélectriques, capables de transformer un flux de chaleur en électricité. Pour réaliser efficacement cette conversion, le matériau doit conduire correctement l'électricité, mais beaucoup moins la chaleur. Ce qui pose notamment problème à des températures élevées. Ce sont précisément des propriétés que des chercheurs de l'université de Chalmers (Suède) pensent avoir découvertes dans des alliages dits à haute entropie.
Pour bien cerner l'ampleur de l'enjeu, rappelons que, dans un moteur d'automobileautomobile à combustion interne, par exemple, seulement un tiers de l'énergie contenue dans le carburant sert à faire avancer la voiture. Le reste est dissipé, essentiellement sous forme de chaleur et notamment au niveau du pot d'échappement. Et le phénomène est le même dans bien des processus industriels. Produire de l'électricité à partir de cette chaleur résiduelle pourrait donc permettre de réduire les consommations d'énergie ou d'optimiser les productions.
C'est le phénomène physique baptisé effet Seebeckeffet Seebeck qui est à l'origine de l'apparition d'une tension électrique entre deux matériaux, dit thermoélectriques, soumis à une différence de température. Mais à haute température, les rendements de conversion énergétique des matériaux classiques restent généralement trop faibles pour faire une réelle différence. Notamment parce qu'il est compliqué de jouer sur la conductivité électrique d'un matériau sans pour autant affecter sa conductivité thermiqueconductivité thermique.
Un alliage à haute entropie vu au microscope électronique à balayage. © Sheng Guo, Chalmers University
Miser sur les propriétés particulières des alliages à haute entropie
Alors, les chercheurs de l'université de Chalmers se sont intéressés aux propriétés d'une classe de matériaux particulière : les alliagesalliages dits à haute entropie, composés d'au moins cinq éléments habituellement métalliques. Car ces alliages sont stables, même à température élevée, et leurs caractéristiques peuvent être ajustées en faisant simplement varier leurs composants ou les quantités de leurs composants.
L'équipe suédoise s'est plus particulièrement intéressée aux alliages d’aluminium, de cobaltcobalt, de chromechrome, de ferfer et de nickelnickel. Et en faisant varier les proportions d'aluminiumaluminium, l'équipe a pu maximiser les propriétés thermoélectriques de l'alliage pour des températures comprises entre 100 et 900 °C. Ainsi, la valeur mesurée du coefficient de Seebeck -- qui définit la quantité d'électricité résultant d'un écart de température de 1 kelvinkelvin (K) -- de l'alliage a varié de -1 μV.K-1 à -23 μV.K-1, le signe négatif ne figurant que pour indiquer le sens de circulation du courant.
Ces résultats ont été obtenus en faisant varier la concentration en aluminium d'un coefficient 0 à 3. Mais les variables imaginables pour ce type d'alliages sont nombreuses et les chercheurs de l'université de Chalmers doivent désormais mieux cerner les bases physiques qui se cachent derrière leurs résultats pour prédire quels alliages pourraient être les plus efficaces.
