Article publié le 28 décembre 2016

Récupérer la chaleur générée par les moteurs et tout ce qui frotte est un espoir entretenu depuis des décennies grâce à un phénomène physique connu depuis 1821 : l'effet Seebeck. Si deux matériaux conducteurs bien choisis et très fins sont appliqués l'un contre l'autre mais séparés par un isolant, il apparaît entre eux une différence de potentiel s'ils sont portés à des températures différentes. N'importe quelle source de chaleur peut ainsi devenir un générateur électrique. La perspective est enthousiasmante mais incertaine tant le rendement est désastreux, les tensions électriques produites étant extrêmement faibles. Cependant, comme les scientifiques sont d'un naturel optimiste, ils ne désespèrent pas de parvenir à l'améliorer (voir l'article ci-dessous).

Une équipe de l'université de l’Ohio vient d'annoncer un pas en avant dans la bonne direction. Les chercheurs suivent la même piste depuis plusieurs années : exploiter le fait que le phénomène est également lié au champ magnétique et, plus précisément, s'appuyer sur l'effet Seebeck de spin. Au sein de matériaux magnétiques, il peut exister des ondes de spin des électrons (une propriété quantique différente de la charge, et dont tire profit la spintronique). Une différence de potentiel entre deux couches de métauxmétaux peut alors être obtenue en exploitant l'effet Hall de spin. Le phénomène s'observe entre un film métallique mince et une couche ferromagnétiqueferromagnétique. Il est dépendant du champ magnétiquechamp magnétique mais la différence de potentiel, du fait de la résistance électriquerésistance électrique des matériaux, est dérisoire.

Vue au microscope électronique à transmission d'un composite nickel-platine utilisé pour l'expérience de thermoélectricité à l'université d'État de l'Ohio. L'image de gauche est une coloration de l'originale (à droite), où le rouge indique le platine tandis que le nickel apparaît en vert et l'oxygène en bleu. © Image d'Isabel Boona, OSU Center for Electron Microscopy and Analysis, image de gauche de Renee Ripley, The Ohio State University

La thermoélectricité deviendra-t-elle enfin réalité ?

En 2012, l'équipe avait obtenu cet effet dans un matériaumatériau semiconducteursemiconducteur, non magnétique, avec des tensions plus élevées. Les chercheurs avaient atteint le millivolt, ce qui, dans ces expériences, est un exploit (voir ici). Aujourd'hui, dans un article accessible dans la revue Nature Communications, ils annoncent la réalisation d'un tel dispositif mais utilisant seulement un matériau compositematériau composite fait de nickelnickel saupoudré de platineplatine. En soumettant l'ensemble à un champ magnétique contrôlé, ils ont pu obtenir un effet Seebeckeffet Seebeck de spin... bien plus faible, mesurable en nanovolts (des milliardièmes de voltvolt, donc).

Pourtant, les chercheurs de l'Ohio sont contents. En effet, leur modèle expérimental utilise des métaux faciles à manipuler et ne nécessite pas la confection d'un film métallique ultramince. Selon eux, le procédé est potentiellement industrialisable. La chaleur perdue un peu partout, celle de nos ordinateursordinateurs, de nos téléphones, de nos automobiles ou des machines les plus variées pourrait alors, comme promis depuis longtemps, être récupérée, au moins partiellement, sous forme d'électricité.

Thermoélectricité : comment produire du courant avec de la chaleur

Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet publié le 24/3/2008

Un gain significatif vient d'être obtenu dans cette technique prometteuse et connue depuis le dix-neuvième siècle. L'espoir grandit de pouvoir fabriquer de l'électricité à partir de n'importe quelle source de chaleur, récupérée autour d'un moteur, dans une habitation ou à l'intérieur d'une usine.

Voilà plus de 170 ans que Jean-Charles Peltier a découvert un curieux phénomène : lorsqu'un courant électriquecourant électrique traverse deux conducteurs jointifs de natures différentes, l'un se refroidit (légèrement) et l'autre se réchauffe d'autant. Un peu plus tôt, en 1821, Thomas Seebeck mettait en évidence un phénomène inverse : quand deux matériaux conducteurs différents sont approchés l'un de l'autre, on obtient un petit courant électrique si les deux sont amenés à des températures différentes. Comme l'a prouvé Lord KelvinKelvin, les deux découvertes montrent les deux facettes du même phénomène, aujourd'hui appelé effet thermoélectrique, effet Peltiereffet Peltier ou effet Peltier-Seelbeck.

Transformer de la chaleur en électricité ou le contraire avec un dispositif aussi simple représente un énorme potentiel. Pourtant, l'effet Peltier est resté cantonné à quelques applicationsapplications marginales de réfrigération, qui ne font appel qu'au phénomène découvert par Peltier : le refroidissement de circuits électroniques (les astronomesastronomes l'apprécient beaucoup dans leur caméra CCDCCD) ou les réfrigérateurs de voiturevoiture.

L'effet découvert par Seelbeck, lui, n'est guère exploité mais soulève d'immenses espoirs. Grâce à lui, il est envisageable de produire de l'électricité en puisant dans les sources de chaleur perdue pour tout le monde, dans les habitations, les usines ou les moteurs. On parle de thermoélectricité. Si elle n'est encore qu'un rêve, c'est parce que les matériaux thermoélectriques sont coûteux et peu efficaces. De nombreux travaux sont aujourd'hui menés dans le monde pour améliorer cette efficacité. Elle dépend notamment du rapport entre les conductivitésconductivités électrique et thermique. Le matériau doit très bien conduire le courant mais doit faire obstacle au flux de chaleur. Dans le cas contraire, la chaleur dégagée par le passage du courant électrique se répand dans tout le volumevolume et vient réduire l'effet recherché. Les scientifiques veulent aussi abaisser la température minimale de fonctionnement, qui reste élevée.

Un réseau cristallin désordonné

Une équipe américaine du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et du Boston College viennent d'annoncer un progrès significatif. Gang Chen, Mildred Dresselhaus (MIT) et Zhifeng Ren (Boston College) ont utilisé un matériau thermoélectrique déjà connu, du tellurure d'antimoineantimoine-bismuthbismuth, mais l'ont préparé de manière différente. Ils l'ont d'abord réduit en une poudre extrêmement fine, dont les grains ont un diamètre d'environ 20 nanomètresnanomètres, qu'ils ont ensuite compressée à haute température pour former des disques et des barres.

Par rapport aux meilleurs résultats obtenus auparavant avec ce matériau, exigeant une température de 100°C, l'équipe a observé une amélioration de l'efficacité de 40 % et constaté que l'effet thermoélectrique apparaît entre 250 °C et la température ambiante. Les chercheurs expliquent cet énorme gain en performances par la formation, après la compression, d'un réseau cristallinréseau cristallin désordonné qui contrecarre la transmission de la chaleur sans gêner la conduction électrique.

L'intérêt du procédé est aussi sa simplicité, puisqu'il part d'un matériau macroscopique pour fabriquer une structure nanométrique. Cette approche descendante (contrairement à l'approche bottom-up, qui consiste à assembler des nano-objets) permet d'envisager une production plus facile. « Nous ne parlons plus en grammes mais en kilogrammeskilogrammes, s'enthousiasme Zhifeng Ren. Nous pouvons en faire des tonnes ! »