Une peinture ultra-blanche pour réduire l’échauffement des murs et des toits

Après la course aux peintures ultra-noires,1 c’est le tour des peintures ultra-blanches. Leur objectif ? Réduire l’échauffement des murs et/ou des toits d’un bâtiment pour limiter l’emploi de climatiseurs énergivores et ainsi contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique. De quelle façon ? En appliquant une peinture qui réfléchit plus de 98 % du rayonnement solaire, grâce à une formulation particulière des pigments. Le principe ? Réaliser un refroidissement radiatif passif, car aussi surprenant que cela puisse paraître au premier abord, il est possible de limiter l'élévation de température d’un local exposé en plein Soleil sans fournir de l’énergie – comme le ferait un climatiseur – et cela en réduisant l’échauffement des murs grâce à une peinture ultra-blanche. Voyons, par exemple, la texture de la peinture ultra-blanche mise au point par Xiulin Ruan, de l’Université Purdue (USA), et ses collègues.2

Fig. 1. Portion de mur (carré central) recouvert d’une couche de peinture ultra-blanche à base de sulfate de baryum. L’image de droite obtenue à l’aide d’une caméra infrarouge montre que le carré central est à une température inférieure à la température ambiante. Crédit : Joseph Peoples / Purdue University

Qu’est-ce que le refroidissement radiatif passif ?

Tout corps à température ambiante rayonne de l’énergie dans l’infrarouge3 (rayonnement thermique = chaleur) dans un domaine de longueurs d’onde qui se situe dans une fenêtre de transparence de l’atmosphère (8 à 13 micromètres). Grâce à ce phénomène, un corps se refroidit de façon passive du fait que sa chaleur est rayonnée vers l’espace où la température est très basse (Fig. 2). C’est pourquoi l’on parle de refroidissement radiatif passif.

Fig. 2. Illustration du refroidissement radiatif passif par une peinture ultra-blanche : elle réfléchit une grande partie de la lumière solaire et son rayonnement thermique est envoyé vers l’espace très froid (température de 3 kelvins) à travers la fenêtre de transparence du ciel. Adaptation de la figure du Graphical abstract illustrant l’article cité en référence 2.

Pour qu’un matériau soit le siège d’un refroidissement de jour, il doit en outre réfléchir efficacement le rayonnement solaire. Or, les peintures blanches commerciales courantes réfléchissent seulement 80-90 % du rayonnement solaire et s’échauffent légèrement au lieu de se refroidir. Divers revêtements ont été proposés pour réaliser de jour un refroidissement radiatif passif (structures multicouches, couche métallique réfléchissante…) mais ils sont difficiles à mettre en œuvre, et/ou onéreux. D’où l’intérêt de rechercher des peintures ultra-blanches possédant la double propriété d’une haute réflectance et d’une émissivité élevée.

Comment produire un blanc le plus efficace possible

Xiulin Ruan et ses collègues ont fabriqué une peinture acrylique ultra-blanche qui doit ses propriétés, d’une part, au choix du  pigment, et d’autre part, à la morphologie des particules de ce pigment.2

Commençons par le choix du pigment qui est évidemment crucial. Les pigments blancs ne manquent pas. Parmi la centaine de matériaux différents que les chercheurs ont considérés, ils en ont sélectionné 10, et pour chacun d'eux, ils ont testé environ 50 formulations différentes. Leur choix s’est porté sur le sulfate de baryum, bien connu par ailleurs pour son utilisation dans les cosmétiques et les papiers photos (papier baryté). Ce pigment est compatible avec les processus de fabrication de peintures commerciales. Comme ces dernières, la nouvelle peinture peut supporter les conditions extérieures.

Le second aspect concerne la taille des particules de sulfate de baryum. Les caractéristiques de la lumière diffusée par une particule dépendent de la taille de celle-ci. Grâce à une large distribution de tailles, la peinture diffuse la lumière sur une grande partie du spectre solaire. C’est ainsi que la peinture acrylique mise au point par Xiulin Ruan et ses collègues contient 60 % de sulfate de baryum sous forme de particules dont la distribution de taille est large (400 ± 130 nm), ce qui permet une réflexion efficace (98,1 %) du rayonnement solaire dans le visible et le proche infrarouge. L’émissivité dans la fenêtre de transparence de l’atmosphère est de 95 %.

Les tests sur le terrain ont montré que la température de la couche de peinture (dont l’épaisseur est de 400 micromètres) reste à 4,5 °C en dessous de la température ambiante en journée par fort ensoleillement. La puissance de refroidissement moyenne est proche de 120 W/m2. Ainsi, en recouvrant un toit de cette peinture ultra-blanche sur une surface de 100 m2, on obtiendrait une puissance de refroidissement d’un peu plus de 10 kilowatts, valeur supérieure à celle des climatiseurs centraux utilisés dans la plupart des maisons pour refroidir l’air ambiant. Ce nouveau type de peinture pourrait être commercialisé à grande échelle d’ici un ou deux ans, à condition que l’approvisionnement en sulfate baryum en grande quantité soit possible.

Le refroidissement passif des bâtiments grâce à des peintures ultra-blanches devrait contribuer à limiter le réchauffement climatique car il faut rappeler que 10 % de l’électricité produite dans le monde est consommée par les climatiseurs. Cette consommation risque certainement d’augmenter dans les années à venir car nombre de pays chauds et peuplés, comme l’Inde, sont encore peu équipés de climatiseurs.

Références et notes

1Voir les billets du 16.02.2019 (La saga du noir dans l’art : Vantablack versus Black 3.0) et du 19.09.2019 (Nouvel épisode dans la quête du noir ultime : le record du Vantablack est battu).

2Xiangyu Li et al. “Ultrawhite BaSO4 paints and films for remarkable daytime subambient radiative cooling”, ACS Applied Materials and Interfaces, vol. 13(18), pp. 21733–21739, 2021. https://doi.org/10.1021/acsami.1c02368

3La nuit, les caméras infrarouge visualisent les corps (humains et animaux, par exemple) en captant le rayonnement thermique que ceux-ci émettent.

 

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