Des « fenêtres liquides » semblables à des calamars réagissent à l’environnement et permettent de réaliser des économies d’énergie

“Si nous pouvons contrôler la quantité, le type et la direction de l’énergie solaire qui entre dans nos bâtiments, nous pouvons réduire massivement la quantité de travail que nous demandons aux chauffages, aux refroidisseurs et aux lumières.”

Les prototypes conçus et construits par le département d’ingénierie de l’Université de Toronto contiennent plusieurs couches de canaux, chacun d’entre eux contenant des fluides aux propriétés optiques variées. Raphael Kay, Adrian So

Les chercheurs en ingénierie de l’Université de Toronto ont mis au point un système unique qui permet de réduire les coûts énergétiques liés au chauffage, à la climatisation et à l’éclairage des bâtiments.

Leur inspiration ? La peau changeant de couleur de l’humble calmar. Le système fluidique multicouche peut réduire les coûts énergétiques en optimisant la longueur d’onde, l’intensité et la dispersion de la lumière transmise par les fenêtres.

Les bâtiments consomment une tonne d’énergie pour chauffer, refroidir et éclairer les espaces qu’ils contiennent”, a déclaré dans un communiqué Raphael Kay, auteur principal, récemment diplômé. “Si nous pouvons contrôler stratégiquement la quantité, le type et la direction de l’énergie solaire qui entre dans nos bâtiments, nous pouvons réduire massivement la quantité de travail que nous demandons aux chauffages, aux refroidisseurs et aux lumières.”

Les recherches sont publiées dans PNAS.

La peau d’un calmar, source d’inspiration en matière de design

Pour l’instant, nous disposons de certaines technologies de construction “intelligentes”, comme les stores automatiques ou les fenêtres électrochromiques, qui peuvent être utilisées pour contrôler la lumière du soleil qui pénètre dans la pièce. Mais, selon Kay, ces systèmes sont limités car ils ne peuvent ni différencier les différentes longueurs d’onde de la lumière ni contrôler la répartition de la lumière dans le plastique plat.

Le prototype se compose de feuilles de plastique plat imprégnées de canaux de quelques millimètres d’épaisseur à travers lesquels des fluides peuvent être pompés. Les fluides peuvent être composés de pigments, de particules ou d’autres molécules personnalisés afin de contrôler le type de lumière qui passe et la direction de la distribution.

Ces feuilles peuvent être combinées en un empilement multicouche, chaque couche étant responsable de diverses fonctions telles que “le contrôle de l’intensité, le filtrage de la longueur d’onde ou le réglage de la diffusion de la lumière transmise à l’intérieur”.

Ce design s’inspire directement de plusieurs espèces de calamars dont la peau contient des couches empilées d’organes spécialisés, notamment des chromatophores, qui contrôlent l’absorption de la lumière, et des iridophores, qui ont un impact sur la réflexion et l’iridescence. Ces éléments fonctionnent en tandem pour générer des “comportements optiques uniques”.

“C’est simple et peu coûteux, mais cela permet également un contrôle combinatoire incroyable. Nous pouvons concevoir des façades de bâtiments dynamiques à l’état liquide qui font pratiquement tout ce que vous voulez en termes de propriétés optiques”, a déclaré Kay.

L’intelligence artificielle pour faire avancer la recherche

M. Jakubiec a construit des modèles informatiques détaillés à partir des mesures des propriétés physiques des prototypes. L’équipe a également simulé divers algorithmes de contrôle permettant d’activer ou de désactiver les couches en fonction de l’évolution des conditions ambiantes.

“Si nous n’avions qu’une seule couche qui se concentre sur la modulation de la transmission de la lumière proche de l’infrarouge – ne touchant donc même pas la partie visible du spectre – nous avons constaté que nous pourrions économiser environ 25 % par an sur l’énergie de chauffage, de refroidissement et d’éclairage par rapport à une base statique. Si nous avons deux couches, infrarouge et visible, l’économie est plutôt de 50 %. Ce sont des économies très importantes”, a déclaré M. Kay.

Un élément intéressant à noter dans cette recherche est que, bien que les humains aient conçu les algorithmes de contrôle, leur optimisation serait une tâche pour l’intelligence artificielle.

“L’idée d’un bâtiment capable d’apprendre, d’ajuster lui-même ce réseau dynamique pour l’optimiser en fonction des changements saisonniers et quotidiens des conditions solaires, est très intéressante pour nous”, a déclaré M. Hatton.

“Nous travaillons également sur la manière d’étendre ce système de manière efficace afin de pouvoir couvrir un bâtiment entier. Cela demandera du travail, mais comme tout cela peut être fait avec des matériaux simples, non toxiques et peu coûteux, c’est un défi qui peut être relevé”, a-t-il ajouté.

M. Hatton espère que ses recherches constitueront un tremplin vers des méthodes plus créatives de gestion de l’énergie dans les bâtiments.

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche