Capturer l'excès de chaleur comme nouvelle source d'énergie
Jesse Maassen veut comprendre comment les électrons et la chaleur circulent à travers les matériaux afin de capter l'énergie excédentaire provenant de sources de chaleur et l'utiliser pour produire de l'électricité. “Le thème général des recherches de mon groupe est l'étude du transport électro-thermique dans les matériaux et les dispositifs — tels que les semi-conducteurs et les métaux — en utilisant la théorie et la simulation,” explique Maassen, professeur au département de physique et des sciences atmosphériques de l'Université Dalhousie. “Nous nous concentrons sur la compréhension de ce qui contrôle le mouvement des électrons et de la chaleur dans les matériaux, afin de pouvoir concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées.”
Un des matériaux qu'il étudie s'appelle les thermoélectriques. Lorsqu'ils sont placés en contact avec des sources de chaleur, les thermoélectriques peuvent convertir l'énergie thermique en énergie électrique utile, qui peut être utilisée pour tout, de la recharge de nos téléphones à l'alimentation de nos maisons. Par exemple, en utilisant la chaleur de la combustion dans une voiture, vous pouvez alimenter une partie de la batterie de la voiture. “Les thermoélectriques pourraient avoir un grand impact,” dit-il. “Environ 60 pour cent de l'énergie que nous produisons est perdue sous forme de chaleur résiduelle — elle s'évapore simplement dans l'environnement. À l'échelle mondiale, cela représente une énorme quantité d'énergie que nous gaspillons. Les thermoélectriques pourraient exploiter cette chaleur perdue.”
L'objectif de Maassen est d'améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie thermique en énergie électrique, afin que cette technologie puisse devenir plus répandue. Mais cela nécessite d'optimiser la manière dont les électrons et la chaleur circulent à travers ces matériaux. “La chaleur correspond aux vibrations des atomes qui composent le matériau — tout comme des vagues, le mouvement collectif des atomes transporte l'énergie thermique d'un endroit à un autre,” explique Maassen. “Puisque nous devons résoudre les choses à l'échelle atomique, nos calculs d'électrons et de chaleur sont basés sur des simulations de mécanique quantique. Cette modélisation de pointe nous aide également à identifier ou à concevoir des matériaux aux propriétés exceptionnelles même s'ils n'existent pas encore. Cela peut guider les chercheurs expérimentaux vers de nouvelles découvertes.”
En plus de contribuer à réduire la consommation mondiale d'énergie, il aimerait améliorer la vitesse des processeurs informatiques. “Les circuits qui animent nos téléphones et ordinateurs sont composés de milliards de minuscules dispositifs électroniques,” dit-il. “Ils deviennent de plus en plus petits et mesurent maintenant moins de 10 nanomètres. Lorsqu'un courant électrique circule à travers ces minuscules dispositifs, il génère de la chaleur, cependant la chaleur ne se dissipe pas efficacement dans des structures aussi petites parce que la physique est différente. Cela entraîne des températures plus élevées qui peuvent brûler prématurément le circuit.”
C'est un défi majeur pour l'industrie des semi-conducteurs et la principale raison pour laquelle la vitesse des processeurs a cessé d'augmenter il y a plus d'une décennie. “Comprendre et contrôler la génération et le flux de chaleur à l'échelle nanométrique pourrait avoir un impact sur la technologie de l'information,” dit-il. “Ces connaissances peuvent nous aider à concevoir de nouveaux composants électroniques avec un échauffement réduit qui fonctionneraient plus rapidement et plus efficacement.”
Il utilise des simulations pour obtenir des informations sur ce qui contrôle le flux d'électrons et de chaleur dans les matériaux existants et nouveaux. Il effectue ces calculs en utilisant les supercalculateurs d'ACENET. “Sans de bonnes ressources informatiques, nous ne pourrions pas effectuer ces calculs, et les informations que nous obtenons s'évaporeraient,” dit-il. Même avec l'accès à des ressources informatiques de haute puissance, les calculs prennent beaucoup de temps. Les ressources d'ACENET ont joué un rôle dans son retour au Canada en provenance des États-Unis. “Je savais que la vie serait plus facile en ayant ACENET à ma disposition,” dit-il. “Les calculs très difficiles que nous faisons peuvent prendre des semaines, mais sans toutes ces ressources, nous ne les ferions tout simplement pas.”