Thermoélectricité : la production d’énergie à partir de chaleur fait un grand pas en avant

En jouant sur les matériaux, des chercheurs sont parvenus à produire une cellule thermoélectrique plus légère, plus performante et moins contraignante que les modèles précédents. Une découverte qui bénéficiera certainement à plusieurs secteurs d’activité.

L’exploration spatiale est à la pointe de la technologie; il arrive bien souvent que certaines des innovations des différentes agences spatiales finissent par servir dans la vie de tous les jours, des années plus tard. On peut citer la pompe à insuline, développée à l’origine par la NASA, mais aussi des systèmes de filtration d’eau, des cellules solaires…

C’est pourquoi il est toujours fascinant de s’intéresser à la technologie utilisée aujourd’hui par les agences spatiales; bien souvent, cela constitue une fenêtre sur certains éléments de la technologie de demain. Et parmi ces technologies qui font de l’œil aux ingénieurs civils, il y en a une qui sort du lot : les appareils thermoélectriques.

Ce dispositif est aujourd’hui utilisé sur le rover Perseverance, qui arpente en ce moment même les plaines de Mars; il l’alimente en convertissant de la chaleur directement en électricité. Comme un moteur à combustion, mais sans les éléments mobiles et avec un encombrement moindre. Une technologie très intéressante, particulièrement bien adaptée pour répondre aux contraintes spécifiques de l’exploration spatiale.

Le magnésium à la rescousse

En revanche, dans la vie de tous les jours, c’est une autre histoire; par rapport à un moteur à combustion standard, cette technologie est très peu efficiente, surtout vis-à-vis de son prix. Mais cela pourrait changer grâce aux travaux de chercheurs des universités de Duke et Michigan State. Ils viennent de mettre au point un prototype très prometteur, plus léger, plus performant, et moins cher.

Pour y parvenir, les chercheurs ont choisi de tester différents matériaux. Traditionnellement, ces dispositifs se basent sur la présence d’éléments lourds, difficiles à manipuler, et assez chers. Par exemple, dans le cas de Perseverance, c’est la chaleur émise par la radioactivité du plutonium 238 qui est transformée en électricité; un matériau dangereux que l’on préférerait évidemment garder à une distance respectable. C’est également vrai pour le plomb ou le tellure également utilisés.

De très nombreux travaux ont été lancés pour tenter de s’affranchir de ces éléments lourds; mais sans succès. Car les éléments plus légers présentent habituellement une conductivité thermique plus élevée; cela signifie qu’ils transmettent particulièrement bien la chaleur. Un peu comme une cuillère en métal par rapport à une spatule en bois. Cette propriété est un avantage dans certains cas, mais sans rentrer dans le détail, elle est contre-productive lorsqu’il s’agit de produire de l’électricité.

Pourtant, l’équipe de recherche a réalisé qu’un élément semblait ne pas suivre cette règle : la magnésium. Lorsqu’ils en ont intégré à leur dispositif, ils ont obtenu une conductivité thermique très basse; étonnant pour ce matériau pourtant dix fois plus léger que le plutonium de Perseverance. Et surtout, les performances de ce matériau à base de magnésium a permis de multiplier par trois les performances de la cellule thermoélectrique !

Des applications très concrètes à moyen terme

Des caractéristiques pourraient permettre d’envisager des applications assez concrètes pour cette technologie. C’est notamment le cas dans les secteurs de l’énergie et des transports, où elle pourrait permettre de générer de l’électricité à partir de la chaleur de récupération, qui constitue aujourd’hui une perte sèche en termes de rendement. Les scénarios les plus optimistes espèrent même alimenter certains wearables comme des montres connectées à l’aide de la chaleur corporelle, mais nous sommes encore bien loin de ces applications.

Cette découverte pourrait aussi bénéficier grandement aux ingénieurs de l’aérospatiale. Dans ce secteur, la masse des engins est une donnée absolument cruciale. Elle conditionne le processus de développement de bout en bout. Économiser le moindre gramme peut faire une différence considérable et constitue donc une priorité absolue; avec un matériau plus léger, c’est de la place qui se libère pour ajouter des équipements ou renforcer ceux déjà existants.

Source: science