Comment produire de l'électricité avec la chaleur corporelle ?

Savez-vous que certaines recherches visent à valoriser la chaleur dégagée par notre corps pour recharger certains petits appareils par exemple ? Des scientifiques de l’Institut Fraunhofer pour circuits intégrés (Erlangen, Allemagne) ont réussi à développer une méthode de production d’électricité reposant sur ce principe.

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Les applications de cette méthode sont multiples : utiliser la chaleur du crâne par exemple, pour alimenter un casque audio…Il est question également : - de soutirer une partie de la chaleur perdue par les gaz d’échappement d'unepour alimenter une partie des systèmes électriques d’une voiture hybride (ce qui conduit à économiser un peu de carburant) - de récupérer la chaleur des incinérateurs pour fabriquer de l’électricité (directement sans fluide caloporteur) - d’embarquer au niveau des sondes spatiales des générateurs spéciaux pour pallier aux lacunes des panneaux photovoltaiques lorsque le soleil et trop éloigné.

Mais comment tout cela fonctionne-t-il ?

Toutes ces belles applications, dont certaines ont vu le jour (cas des sondes spatiales ou de certains réfrigérateurs), reposent sur le principe de l’effet Peltier et de l’effet Seebeck qui ont permis le développement de la technologie dite de « thermoélectricité ».

La thermoélectricité est la science qui relie la conduction de chaleur au sein d’un matériau au courant électrique qui le traverse. C’est sur ce principe que repose la mesure de température par un thermocouple.

L’effet Peltier

L’effet Peltier (découvert en 1831) est l’apparation d’un transfert de chaleur en présence d’un courant électrique grâce à deux conducteurs de nature différente mis en contact.

Sous l’effet du courant électrique, un des conducteurs devient plus chaud, l’autre plus froid d'où une différence de température entre eux.

L’application directe, de cet effet, est de pouvoir créer facilement « du froid ». L’enjeu est important pour refroidir, par exemple des puces électroniques sans ventilateur. Des glacières reposant sur ce principe existent déjà.

L’effet Seebeck

L’effet inverse à l’effet Peltier, a été découvert un peu plus tôt (1821) par Mr Seebeck, physicien allemand.

Selon ce principe : en appliquant une différence de température à deux matériaux conducteurs différents mis en contact, il apparaît un courant électrique dans le circuit qui les relie.

Les deux effets sont liés, comme l’a montré Thomson, en 1851.

On parle du PTE d’un matériau, ou pouvoir thermoélectrique.

L’effet Seebeck est directement fonction des propriétés microscopiques du matériau.

Interprétation

Rappelons ici en quoi consiste la conduction thermique au sein d’un matériau classique : lorsqu'on chauffe à l’une des extrémités, les molécules ou atomes constituants le matériau s’agitent, l’agitation est communiquée « par collision » de proche en proche jusqu’à l’autre extrémité. La chaleur se transmet donc d'une extrémité chauffée à l'autre.

Pour expliquer l’effet Seebeck, on peut dire pour simplifier que lorsqu’un matériau « possédant de bonnes propriétés thermoélectriques » est soumis à l’une de ses extrémités à une température plus élevée qu’à l’autre, la transmission de la chaleur du chaud vers le froid se fait par ce qui peut voyager au sein de ce matériau particulier en général ce sont les électrons libres de la bande de conduction (cas des métaux). Le déplacement des porteurs de charge du chaud vers le froid se traduit par l’apparition d’un courant électrique.

Ce qui se produit pour l’effet Peltier, inverse de l’effet Seebeck, c’est que soumis à un champ électrique, le système électronique est perturbé : - si les électrons sont accélérés, leur énergie cinétique augmente et est convertie en chaleur, - si les électrons ralentissent, leur énergie cinétique chute, il y a alors absorption de chaleur. Ainsi, au passage d'un courant électrique au sein de différents types de conducteurs, les électrons peuvent accélérer à certains endroits (production de chaleur) ou ralentir à d'autres (production de froid).

La contrainte est donc de choisir les bons matériaux, c'est pourquoi l'effet Peltier

exacerbé au sein d’une jonction entre deux matériaux conducteurs différents et particuliers des semi-conducteurs notés N et P.

Rendez-vous pour un prochain article sur le principe des semi-conducteurs.