Biomimétisme et thermorégulation : jouer avec les températures, un jeu naturel
La thermorégulation concerne tous les secteurs d’activité. Qu’il s’agisse de rendre un lieu confortable pour des êtres vivants ou de garantir le bon fonctionnement d’un système technique, la température est souvent un paramètre important. Ainsi, un bâtiment ou un moyen de transport doit rester dans des gammes de températures raisonnables, un système électronique ne doit pas surchauffer pour des raisons de sécurité. De même, un composant chimique ou médical, comme un vaccin par exemple, doit être maintenu à une température garantissant son efficacité.
Pour contrôler la température dans des conditions si diverses, de nombreux défis se présentent.
Tout d’abord, les questions d’isolation thermique sont essentielles pour parvenir à garder une température constante indépendamment des conditions extérieures, qu’il s’agisse de maintenir un endroit chaud ou froid. Cela n’est en général pas suffisant, et des mécanismes de chauffage ou de refroidissement sont aussi nécessaires. Moins ces mécanismes consomment d’énergie, mieux c’est, tant du point de vue économique qu’environnemental.
Enfin, lorsque des processus génèrent de la chaleur, il faut pouvoir dissiper efficacement cette chaleur. Les problématiques de thermorégulation sont donc complexes et variées, et les progrès dans ce domaine sont nécessaires pour de nombreuses applications.
Spécialiste du domaine, Bioxegy vous explique à travers quelques exemples pourquoi et comment le biomimétisme est une source de solutions et d'approches inédites pour penser les systèmes de thermorégulation du futur.
La Nature n’échappe pas à ce besoin de thermorégulation.
Au contraire, les réactions chimiques nécessaires à la vie, et plus particulièrement les métabolismes de chaque être vivant, sont efficaces dans des gammes de température restreintes, alors que les températures extérieures, dans l’air ou dans l’eau, varient énormément au sein d’une journée, d’une année, ou encore géographiquement.
Ce n’est pas pour rien que les oiseaux migrateurs volent vers des contrées plus chaudes en hiver ! Les animaux qui hivernent ou hibernent ont choisi une autre stratégie contre le froid : puisqu’il les rend moins efficaces, ils travaillent moins. De nombreux autres mécanismes sont mis en œuvre par toutes les espèces pour adapter leur température, comme toujours dans la nature de façon la plus économe en énergie possible.
Ainsi, les fourrures ou les plumages isolent les animaux qui les portent, la transpiration refroidit plantes comme animaux, et les nids ou terriers forment une protection contre les températures extérieures.
Enfin, des comportements, individuels ou collectifs, jouent aussi un rôle essentiel dans la thermorégulation animale.
Refléter le Soleil pour ne pas chauffer : la thermorégulation des fourmis du Sahara
Les fourmis argentées vivent dans le désert du Sahara. Elles doivent se protéger des conditions arides qui y règnent : la température de leur corps doit rester entre 48°C et 51°C, alors que sous le soleil la température du sol peut dépasser les 70°C !
Contrairement à de nombreuses espèces des déserts chauds, leur stratégie n’est pas de vivre la nuit et se cacher le jour. Comment survivent-elles à de telles températures ? Leurs poils leur offrent une belle protection. Grâce à leur forme triangulaire, ils reflètent la majorité des rayonnements solaires reçus, ce qui limite la chaleur apportée par le Soleil. C’est cette réflexion qui donne leur jolie couleur argentée à ces fourmis !
De plus, la microstructure de ces poils permet une bonne émissivité des rayonnements infrarouges, ce qui refroidit efficacement la fourmi.
La structure des poils de fourmi du Sahara a été reproduite pour doter une surface de propriétés de refroidissement. Cette nouvelle surface reflète plus de 97% des radiations solaires, ce qui limite grandement son réchauffement.
De plus, la structure, comme celle des poils de la fourmi argentée, améliore l’émissivité de la surface : elle se refroidit donc plus efficacement par rayonnement. La puissance de refroidissement obtenue est la plus élevée à ce jour pour une microstructure, ouvrant des possibilités de thermorégulation intéressantes, que ce soit pour des bâtiments ou même des satellites.
Isoler comme la fourrure des ours polaires
Les ours polaires sont soumis à des températures très basses, pouvant aller jusqu’à -40°C ! Animaux homéothermes, ils parviennent pourtant à maintenir une température interne constante en été comme en hiver.
Pour les y aider, leur fourrure est d’un grand support : composée de nombreux poils poreux, elle crée une barrière importante entre l’ours et l’extérieur. En effet, l’air piégé dans les poils conduit très peu la chaleur (c’est ce qui est utilisé dans les doubles vitrages !). De cette façon, la différence de température entre l’extérieur de la fourrure, qui reste très froid, et l’intérieur, qui doit rester chaud, est exacerbée.
La surface de l’ours blanc émet alors peu d’infrarouges, ce qui limite la perte de chaleur par rayonnement de l’animal.
Un textile isolant a été mis au point en reprenant cette structure. Composé de fibres poreuses, ce textile est à la fois léger, résistant et isolant thermiquement. Il permet ainsi, comme la fourrure de l’ours blanc, à la fois de maintenir une différence de température entre l’extérieur et l’intérieur et de limiter l’émission de rayonnements thermiques. Entre autres applications, il peut alors servir de cape d’invisibilité pour caméra infrarouge !
Un échangeur thermique inspiré du système vasculaire humain
Le système vasculaire humain permet le transport au sein du corps des nutriments pour l’alimentation et des gazs pour la respiration.
Ce que l’on sait moins, c’est qu’il joue aussi un rôle dans notre thermorégulation. En effet, les échanges de matière sont accompagnés d’échanges de chaleur, afin de garder la température centrale à 37°C quelles que soient les conditions extérieures. L’organisation hiérarchique du réseau de vaisseau sanguin, dont les veines et artères se séparent en capillaires de plus en plus nombreux et petits, permet des échanges de matière et thermiques efficaces.
Les systèmes de micro-électronique nécessitent une thermorégulation efficace afin de ne pas surchauffer. La taille des composants, de plus en plus petits, impose d’améliorer encore et toujours l’efficacité des systèmes de thermorégulation. Pour cela, pourquoi ne pas s’inspirer de notre propre thermorégulation ? Ainsi, un algorithme permettant d’optimiser la taille et l’organisation des canaux d’un échangeur thermique a été développé en s’inspirant du système vasculaire. La disposition obtenue permet, dans le cas testé, de diminuer de 24°C la température maximale par rapport à une organisation classique de canaux parallèles.
Autres perspectives prometteuses du biomimétisme dans les secteurs industriels
