Les gens n’ont pas seulement besoin de rester au frais, surtout lors d’un été marqué par des vagues de chaleur record. De nombreuses machines, notamment les téléphones portables, les centres de informations, les voitures et les avions, deviennent moins efficaces et se dégradent plus rapidement en cas de chaleur extrême. Les machines génèrent aussi leur propre chaleur, ce qui a la capacité de rendre les températures autour d’elles davantage élevées.
Nous sommes des chercheurs en ingénierie qui étudions comment les machines gèrent la chaleur et les moyens de récupérer et de réutiliser correctement la chaleur qui serait autrement gaspillée. La chaleur extrême affecte les machines de plusieurs manières.
Aucune machine n’est parfaitement efficace – toutes les machines sont confrontées à des frictions internes pendant leur fonctionnement. Cette friction amène les machines à dissiper une partie de la chaleur, donc plus il fait chaud dehors, plus la machine sera chaude.
Les téléphones portables et appareils similaires équipés de batteries lithium-ion cessent aussi de fonctionner lorsqu’ils fonctionnent dans des climats supérieurs à 95 degrés Farenheit (35 degrés Celsius) – ceci afin d’éviter une surchauffe et une contrainte accrue sur l’électronique.
Les conceptions de refroidissement qui utilisent des fluides innovants à changement de phase peuvent aider à maintenir les machines au frais, mais dans les nombreux cas, la chaleur est finalement dissipée dans l’air. Ainsi, plus l’air est chaud, plus il est compliqué de maintenir une machine suffisamment froide pour fonctionner correctement.
De plus, plus les machines sont rapprochées, plus la chaleur dissipée sera importante dans les environs.
Matériaux déformants
Des températures plus élevées, dues aux conditions météorologiques ou à la chaleur excessive rayonnée par les machines, peuvent provoquer la déformation des matériaux des machines. Pour comprendre cela, considérons ce que signifie la température au niveau moléculaire.
À l’échelle moléculaire, la température est une mesure de la vibration des molécules. Ainsi, plus il fait chaud, plus les molécules qui composent tout, de l’air au sol en passant par les matériaux des machines, vibrent.
Quand le métal est chauffé, les molécules qu’il contient vibrent plus rapidement et l’espace qui les sépare s’éloigne. Cela conduit le métal à se dilater.
À mesure que la température augmente et que les molécules vibrent davantage, l’espace moyen entre elles augmente, provoquant la dilatation de les nombreux matériaux à mesure qu’ils chauffent. Les routes en sont un exemple : le béton chaud se dilate, se resserre et finit par se fissurer. Ce phénomène peut aussi affecter les machines, et les contraintes thermiques ne sont que le début du problème.
Les rues se fissurent sous l’effet de la chaleur, car des températures plus élevées créent plus d’espace entre les molécules vibrantes, provoquant l’expansion et la déformation du matériau. Priscila Zambotto/Moment via Getty Images
Retards de voyage et risques pour la sécurité
Les températures élevées peuvent aussi transformer le attitude des huiles du moteur de votre voiture, entraînant ainsi des pannes moteur potentielles. Par exemple, si une vague de chaleur rend la température 30 degrés F (16,7 degrés C) plus importante que la normale, la viscosité – ou l’épaisseur – des huiles moteur de voiture typiques peut changer d’un facteur trois.
Les fluides comme les huiles moteur deviennent plus fluides à mesure qu’ils chauffent, donc s’il fait trop chaud, l’huile peut ne pas être suffisamment épaisse pour lubrifier correctement et protéger les pièces du moteur contre une usure accrue.
De plus, une journée chaude entraînera une dilatation de l’air à l’intérieur de vos pneus et augmentera la pression des pneus, ce qui pourrait augmenter l’usure et le risque de dérapage.
Les avions ne sont pas non plus conçus pour décoller à des températures extrêmes. À mesure qu’il fait plus chaud dehors, l’air commence à se dilater et prend plus de place qu’auparavant, le rendant plus mince ou moins dense. Cette réduction de la densité de l’air diminue le poids que l’avion peut supporter pendant le vol, ce qui a la capacité de entraîner des retards de voyage importants ou des annulations de vol.
Dégradation de la batterie
En général, les matériaux électroniques contenus dans les appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs personnels et les centres de informations sont constitués de nombreux types de matériaux qui réagissent tous différemment aux changements de température. Ces matériaux sont tous localisés les uns à côté des autres dans des espaces restreints. Ainsi, à mesure que la température augmente, différents types de matériaux se déforment différemment, ce qui a la capacité de entraîner une usure et une défaillance prématurées.
Les batteries lithium-ion des voitures et des appareils électroniques en général se dégradent plus rapidement à des températures de fonctionnement plus élevées. En effet, des températures plus élevées augmentent la vitesse des réactions au sein de la batterie, y compris les réactions de corrosion qui épuisent le lithium de la batterie. Ce processus épuise sa capacité de stockage. Des recherches récentes montrent que les véhicules électriques peuvent perdre environ 20 % de leur autonomie lorsqu’ils sont exposés à des températures soutenues de 90 degrés Farenheit.
Les centres de informations, qui sont des bâtiments remplis de serveurs stockant des informations, dissipent des quantités importantes de chaleur pour maintenir leurs matériaux au frais. Lors des journées très chaudes, les ventilateurs doivent travailler plus fort pour éviter que les copeaux ne surchauffent. Dans certains cas, des ventilateurs puissants ne suffisent pas à refroidir l’électronique.
Les centres de informations, qui stockent de grandes quantités de informations, peuvent surchauffer et nécessiter un refroidissement de grande ampleur, ce qui accroît leur empreinte environnementale. Photo AP/Julie Carr Smyth
Pour garder les centres frais, l’air sec entrant de l’extérieur est souvent d’abord envoyé à travers un tampon humide. L’eau du coussin s’évapore dans l’air et absorbe la chaleur, ce qui refroidit l’air. Cette technique, appelée refroidissement par évaporation, constitue généralement un moyen économique et efficace de maintenir les copeaux à une température de fonctionnement raisonnable.
Cela dit, le refroidissement par évaporation peut nécessiter une quantité d’eau importante. Cette question est problématique dans les régions où l’eau est rare. L’eau de refroidissement peut alourdir l’empreinte déjà importante des ressources associée aux centres de informations.
Des climatiseurs en difficulté
Les climatiseurs ont du mal à fonctionner correctement à mesure qu’il fait plus chaud dehors, juste au moment où on en a le plus besoin. Lors des journées chaudes, les compresseurs des climatiseurs doivent travailler plus fort pour évacuer la chaleur des maisons vers l’extérieur, ce qui augmente de manière disproportionnée la consommation d’électricité et la demande globale en électricité.
Les vagues de chaleur peuvent mettre à rude épreuve les climatiseurs, qui travaillent déjà dur pour dissiper la chaleur. Photo AP/Paul Blanc
Par exemple, au Texas, chaque augmentation de 1,8 degrés F (1 degré C) crée une augmentation d’environ 4 % de la demande d’électricité.
La chaleur entraîne une augmentation stupéfiante de 50 % de la demande d’électricité pendant l’été dans les états les plus chauds, ce qui pose de graves menaces de ruptures ou de pannes d’électricité, associées à des émissions de gaz à effet de serre plus élevées.
Comment prévenir les dommages causés par la chaleur
Les vagues de chaleur et le réchauffement des températures partout à travers le monde posent d’importants problèmes à court et de manière durable tant aux personnes qu’aux machines. Heureusement, il y a plusieurs des mesures que vous pouvez prendre pour minimiser les dégâts.
Tout d’abord, assurez-vous que vos machines sont conservées dans un espace climatisé et bien isolé ou à l’abri de la lumière directe du soleil.
Deuxièmement, envisagez d’employer des appareils à haute consommation d’énergie comme les climatiseurs ou de recharger votre véhicule électrique pendant les heures creuses, quand moins de personnes utilisent l’électricité. Cela peut aider à éviter les ruptures d’électricité locales.
Réutiliser la chaleur
Les chercheurs et les ingénieurs développent des moyens d’employer et de recycler les grandes quantités de chaleur dissipée par les machines. Un exemple simple consiste à employer la chaleur résiduelle des centres de informations pour chauffer l’eau.
La chaleur résiduelle pourrait aussi alimenter d’autres types de systèmes de climatisation, tels que les refroidisseurs à absorption, qui peuvent en fait employer la chaleur comme énergie pour alimenter les refroidisseurs à travers une série de processus de transfert de produits chimiques et de chaleur.
Dans les deux cas, l’énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir quelque chose provient de la chaleur qui serait autrement gaspillée. En fait, la chaleur résiduelle des centrales électriques pourrait hypothétiquement répondre à 27 % des besoins résidentiels en climatisation, ce qui réduirait la consommation globale d’énergie et les émissions de carbone.
La chaleur extrême peut affecter tous les aspects de la vie moderne, et les vagues de chaleur ne disparaîtront pas dans les années à venir. Cela dit, il y a plusieurs des possibilités d’exploiter la chaleur extrême et de la faire fonctionner pour nous.
Les auteurs ne travaillent pas, ne consultent pas, ne détiennent pas d’actions ni ne reçoivent de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui bénéficierait de ce post, et n’ont divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de leur nomination universitaire.
