Porté par deux chercheurs de Polytechnique Montréal, Christophe Caloz, professeur titulaire au Département de génie électrique, et Maksim Skorobogatiy, professeur titulaire au Département de génie physique, ce projet promet de révolutionner la technologie des fenêtres en augmentant considérablement leur efficacité énergétique.

Si l’utilité d’une fenêtre est d’abord de laisser entrer la lumière et d’offrir une vue sur l’extérieur, on voudra aussi qu’elle procure une bonne protection thermique. Or, imaginez une fenêtre intelligente qui en ferait encore plus, en s’adaptant à son environnement. En hiver, elle capturerait la chaleur du soleil, alors qu’en été, elle la bloquerait.

Transformer les fenêtres en de véritables dispositifs de contrôle de la température intérieure, voilà donc l’objectif des scientifiques impliqués dans ce projet ambitieux. Avec cette technologie, ils espèrent améliorer le bilan énergétique des bâtiments et, du même coup, le confort de ses occupants.

Ma fenêtre, une centrale d’énergie?

La chaleur peut se propager de trois façons distinctes : par convection, par conduction ou par rayonnement électromagnétique. Grâce à l’utilisation de calfeutrage ou de double vitrage empli de gaz, les pertes de chaleur par convection et par conduction sont déjà habilement endiguées.

Ici, c’est le phénomène du rayonnement qui intéresse l’équipe dirigée par M. Caloz. N’ayant encore jamais été intégrée dans les technologies de fenêtrage, la maîtrise de ce type de transfert thermique pourrait conduire à des économies en chauffage et en climatisation de plus de 20 %. Car si les fenêtres standards présentent déjà d’intéressantes qualités isolantes, les méta-fenêtres ne se limiteront pas à la simple rétention de la chaleur à l’intérieur : elles en puiseront à partir de l’extérieur.

Les chercheurs convoitent en effet un réservoir d’énergie propre, jusqu’ici inexploité. Ce réservoir tire sa source d’un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement du corps noir. Lié à la température des objets, ce dernier comprend une importante quantité d’énergie dans l’infrarouge. Il provient essentiellement du soleil ainsi que des masses physiques environnantes, telles que les personnes, les animaux, les habitations et la végétation.

L’équipe de recherche se donne trois ans pour parfaire la conception de verres sophistiqués pouvant être traversés par le rayonnement du corps noir. Quant aux fenêtres existantes, MM. Caloz et Skorobogatiy projettent de développer un méta-film qui, une fois appliqué sur celles-ci, capterait cette énergie.

« En plus de faire chuter la facture énergétique des ménages et des entreprises, la solution des méta-fenêtres pourrait mener à une réduction substantielle des émissions de gaz à effet de serre à travers le monde », fait valoir le chercheur principal, Christophe Caloz, au sujet des retombées anticipées.

La clé : les métasurfaces

L’innovation de ce projet s’appuie sur le développement de nouvelles métasurfaces, à savoir des matériaux artificiels bidimensionnels. Parmi les propriétés de ses matériaux, un potentiel de contrôle du rayonnement thermique naturel a été observé, et ce, avec un raffinement sans précédent. Constitués de petites particules résonantes, l’architecture de ces matériaux permet en effet de diriger les ondes électromagnétiques émises par des corps chauds.

Pour que l'échange de chaleur entre les environnements externe et interne soit efficace, le défi résidera dans la gestion fine de ce rayonnement. En hiver, la méta-fenêtre devra attirer l’énergie thermique du soleil et des autres corps, tout en ne laissant pas s’échapper les ondes émises entre ses murs. À l’inverse, en été, la méta-fenêtre devra laisser sortir la chaleur accumulée à l’intérieur et bloquer toute entrée de rayonnement solaire.

Les membres de l’équipe de recherche sont optimistes quant à l’atteinte de ces objectifs et se réjouissent de l’appui de l’Institut de l’énergie Trottier. Ils contemplent par ailleurs l’idée d’étendre les applications de ce projet au bénéfice des véhicules et des serres alimentaires.

De gauche à droite : Nima Chamanara, chercheur postdoctoral au Département de génie électrique de Polytechnique Montréal; Guillaume Lavigne, candidat au doctorat au Département de génie électrique de Polytechnique Montréal; Christophe Caloz, professeur titulaire au Département de génie électrique de Polytechnique Montréal, chercheur principal du projet de recherche de développement de méta-fenêtres et superviseur de Nima et Guillaume; Maksim Skorobogatiy, professeur titulaire au Département de génie physique de Polytechnique Montréal et cochercheur du projet de recherche.

En savoir plus

Fiche d'expertise du professeur Christophe Caloz
Fiche d'expertise du professeur Maksim Skorobogatiy
Site du Département de génie électrique de Polytechnique Montréal
Site du Département de génie physique de Polytechnique Montréal
Site de l'Institut de l'énergie Trottier