Les chercheurs ont développé un « micromoteur thermique » qui défie la limite de Carnot en atteignant un rendement et une puissance élevés au niveau microscopique. Ce moteur, qui fonctionne sur une seule particule colloïdale dirigée par un faisceau laser et manipulée par un champ électrique, présente un rendement proche de 95 % de la limite de Carnot. Cette avancée bouleverse la croyance de longue date selon laquelle une puissance élevée et un rendement élevé s’excluent mutuellement en raison du compromis entre l’efficacité énergétique et pourrait conduire au développement d’appareils plus économes en énergie à l’avenir.
Concevoir un moteur thermique capable de produire une puissance maximale tout en conservant une efficacité maximale constitue depuis longtemps un défi important en physique et en ingénierie. Les moteurs thermiques pratiques sont limités par une limite théorique de leur efficacité, connue sous le nom de limite de Carnot, qui fixe un plafond à la quantité de chaleur pouvant être convertie en travail utile.
Dans le cadre d’une avancée majeure, des chercheurs de l’Institut indien des sciences (IISc) et du Centre Jawaharlal Nehru pour la recherche scientifique avancée (JNCASR) ont conçu un nouveau « micromoteur thermique » qui a surmonté cette limitation à l’échelle du laboratoire. L’étude a été récemment publiée dans la revue Communications naturelles.
« Ce qui était considéré comme impossible jusqu’à aujourd’hui, nous avons démontré que c’est possible : atteindre simultanément un rendement élevé et une puissance élevée », déclare l’auteur correspondant Ajay K Sood, professeur titulaire de la chaire scientifique nationale au Département de physique de l’IISc et conseiller scientifique principal de le gouvernement de l’Inde.
Comprendre le compromis entre efficacité énergétique
Les moteurs thermiques convertissent la chaleur en travail – par exemple en déplaçant un piston dans une certaine direction. Pour qu’un moteur soit efficace à 100 %, lorsque le processus est inversé – le piston revient à son état d’origine – il ne doit y avoir aucune perte de chaleur, ce qui a été proposé par le physicien français Sadi Carnot en 1824.
Appareil de pince optique dans le laboratoire d’Ajay Sood à l’IISc. Encart (de gauche à droite) : Sudeesh Krishnamurthy, Rajesh Ganapathy et Ajay Sood. Crédit : Sudeesh Krishnamurthy
Ceci n’est théoriquement possible que si le processus se déroule extrêmement lentement, mais cela signifie également que la puissance délivrée sera nulle, rendant le moteur pratiquement inutile. C’est ce qu’on appelle le compromis efficacité énergétique.
Avancées dans les micromoteurs thermiques
« Depuis les années 1970, les gens tentent de trouver un compromis entre efficacité énergétique. Au début des années 2000, les chercheurs ont exploré des systèmes microscopiques pour relever ce défi. Fait intéressant, en 2017, un article affirmait qu’il était impossible de résoudre ce casse-tête thermodynamique », explique Sudeesh Krishnamurthy, ancien doctorant au Département de physique de l’IISc et premier auteur de l’étude.
Dans la présente étude, l’équipe a imité le fonctionnement d’un moteur thermique conventionnel à l’échelle du micron. Au lieu d’utiliser un mélange de gaz et de carburant, ils ont pris une minuscule perle colloïdale semblable à un gel et ont utilisé un faisceau laser pour diriger son mouvement, de la même manière que le piston fonctionne dans un moteur macroscopique.
« Notre moteur unique à micro-échelle fonctionne avec une seule particule », explique Rajesh Ganapathy, professeur au JNCASR et autre auteur. La taille du moteur est très petite, environ 1/100ème la largeur d’un seul cheveu humain, ajoute-t-il.
Des progrès vers une efficacité et une puissance élevées
L’équipe a également utilisé un champ électrique changeant rapidement pour faire passer le moteur entre deux états. Dans ces conditions, ils ont constaté que la chaleur perdue dissipée était considérablement réduite, ramenant le rendement à près de 95 % de la limite spécifiée par Carnot.
« Ce que nous avons obtenu, c’est une réduction du temps de distribution de la chaleur grâce à l’introduction du champ électrique. Cette réduction du temps de distribution de chaleur permet au moteur de fonctionner avec un rendement élevé tout en produisant simultanément une puissance importante, même à des régimes élevés », explique Krishnamurthy.
Implications futures
Auparavant, l’équipe avait conçu un moteur haute puissance utilisant une bactérie vivante pour pousser la particule et alimenter le système. Cette fois, les chercheurs ont remplacé la bactérie par un champ électrique pour déplacer plus efficacement la particule dans le milieu colloïdal et augmenter la durabilité du système.
Les résultats des expériences montrent que, dans certaines conditions, une puissance élevée peut être obtenue avec un rendement élevé. Une telle avancée pourrait ouvrir la voie à des appareils plus économes en énergie à l’avenir.
« Si l’on peut tirer un message de là et essayer de voir comment faire une interprétation pratique de ce micromoteur, c’est la prochaine partie de l’histoire », souligne Sood. « Nous avons ouvert des portes que les scientifiques avaient presque renoncé à ouvrir en raison des contraintes thermodynamiques fixées par Carnot dans des études précédentes. »
