Une cape thermique active pour le contrôle ciblé de la température
En utilisant une distribution de pompes à chaleur à effet Peltier, des chercheurs de l'Institut Fresnel ont montré mathématiquement et par simulation numérique que l'on pouvait rendre indétectable par des mesures thermiques un objet ou une source de chaleur. Ce type de dispositif pourrait servir à contrôler de manière ciblée la température dans un milieu.
Une cape d'invisibilité passive est un métamatériau qui manipule les ondes électromagnétiques pour dissimuler la présence d'un objet. Le même principe peut être appliqué pour rendre un objet indétectable par des mesures thermiques. C'est ce que proposent des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/AMU), de l’Université de l’Utah (Département de mathématiques) et de l'International Research Laboratory Abraham de Moivre (CNRS/Imperial College London), mais en remplaçant cette fois le métamatériau par des éléments actifs : des pompes à chaleur à effet Peltier, qui transportent de la chaleur à l’aide d’un courant électrique à travers une jonction métallique. Cette approche permet, d’une part, un contrôle plus fin du phénomène de ''cloaking'' et d’autre part évite la construction de métamatériaux aux propriétés physiques complexes, difficiles à fabriquer.
Dans cette étude à l'interface entre les mathématiques, la physique et l'ingénierie, publiée dans la revue Proceeding of the royal society A, les chercheurs ont créé un modèle mathématique d'une cape thermique active, et ont prouvé théoriquement et par simulation numérique qu'une distribution d'éléments à effet Peltier pouvait rendre un objet à l'intérieur du dispositif quasiment indétectable par une mesure thermique réalisée de l'extérieur. Le même dispositif peut dissimuler la présence d'une source active de chaleur. Les simulations ont aussi montré qu'une cape thermique active pouvait tromper un observateur en imitant la réponse thermique d'un autre objet ou d'une autre source de chaleur. D'autres études avaient précédemment démontré l'efficacité d'une cape thermique active en régime stationnaire, mais ces derniers travaux étendent pour la première fois le principe à un régime transitoire, permettant un contrôle quasi instantané de l'évolution de la température dans un milieu.
Parmi les applications potentielles des capes thermiques actives figurent le contrôle ciblé des flux de chaleur, par exemple dans des capteurs solaires, ou dans des circuits électroniques. Leur réalisation pratique est envisageable, car des pompes à chaleur à effet Peltier existent sous la forme de petits composants thermo-électriques, et sont déjà utilisées en ingénierie.
Les chercheurs veulent maintenant étudier d'autres applications potentielles du même type de dispositifs. En effet, le modèle mathématique utilisé peut s'appliquer à d'autres phénomènes impliquant de la diffusion, afin, par exemple, de contrôler la diffusion d'une substance chimique dans un milieu, et notamment d'un médicament dans un tissu biologique.
• Colonne de gauche : en l'absence de cape, les isothermes circulaires émises par la source de chaleur sont déformées par l'objet (en noir), dont la présence peut ainsi être détectée.
• Colonne de droite : quand l'objet est entouré par la cape active (en rouge), les isothermes ne sont plus déformées : l'objet reste indétectable par des mesures thermiques.
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© M. Cassier, T. DeGiovanni, S. Guenneau and F. Guevara Vasquez. Published by the Royal Society under the terms of the Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, which permits unrestricted use, provided the original author and source are credited.
Références
Active thermal cloaking and mimicking
M. Cassier, T. DeGiovanni, S. Guenneau and F. Guevara Vasquez
Proceeding of the royal society A, Volume 447, Issue 2249, May 2021
https://doi.org/10.1098/rspa.2020.0941