Convertir la chaleur en énergie mécanique avec du caoutchouc

Une grande partie des réservoirs d'énergie, qu'ils soient naturels ou d'origine industrielle, sont sous la forme de chaleur à basse température (inférieure à 100°C). Une énergie de faible qualité, dont le rendement thermodynamique est faible, et pour laquelle les solutions existantes de conversion en électricité, par exemple les systèmes thermoélectriques, sont limitées à de très faibles puissances et/ou de très faibles rendements. Pour mieux exploiter cette énergie disponible, une équipe du laboratoire international Engineering Science Lyon Tohoku, Materials under eXtreme conditions (ELyTMaX, Centrale Lyon/CNRS/Insa Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/Université de Tohoku) a exploré le potentiel du caoutchouc naturel comme matériau de conversion d'énergie. En effet, le caoutchouc naturel a des propriétés élastocaloriques qui lui permettent de convertir de la chaleur en énergie mécanique :  le matériau génère ou absorbe de la chaleur selon qu'il est étiré ou qu'il se rétracte. Le caoutchouc naturel a aussi l'avantage d'être abondant, peu cher, et renouvelable. 

Pour explorer les capacités de conversion d'énergie du matériau, les chercheurs ont conçu une machine thermique constituée d'un assemblage de tubes en caoutchouc, dans lesquels circule l'eau qui assure le transfert de chaleur d'une source chaude vers le caoutchouc, puis du caoutchouc vers une source froide. Des calculs et simulations ont permis d'estimer les performances attendues, et de guider la conception du dispositif. La machine thermique est constituée de deux assemblages de 55 tubes chacun, montés en série et reliés par une plateforme mobile. Une pompe assure la circulation cyclique de l'eau dans les tubes. Les mesures réalisées ont permis d'évaluer le potentiel de conversion d’énergie à 150mJ.cm^-3 par cycle, très similaire à celui d’autres grandes classes de matériaux intelligents tels que les matériaux piézoélectriques ou pyroélectriques. Un résultat obtenu avec un écart de température de seulement 35 °C, inférieur à celui qui est nécessaire avec d'autres matériaux élastocaloriques. Le dispositif testé au laboratoire, comprenant un total de 20 grammes de caoutchouc naturel, peut produire une énergie par cycle supérieure à 4 Joule.  Pour produire de l'énergie à plus grande échelle, il suffirait donc d'augmenter la quantité de caoutchouc, c'est-à-dire le nombre et la longueur des tubes. 

Les ordres de grandeur de la force (>100 Newton) et du déplacement (environ 2 cm) engendrés par le système permettent d'envisager de l'utiliser pour entraîner un alternateur et produire de l'électricité. Les recherches se poursuivent au sein de l'équipe franco-japonaise, afin de mieux connaître les caractéristiques du matériau élastocalorique, d'évaluer ses limites, et d'améliorer les échanges thermiques au sein du dispositif.

Références
Converting low-grade heat into mechanical energy using a natural rubber elastocaloric device.
Gaël Sebald, Giulia Lombardi, Gildas Coativy, Atsuki Komiya. 
Joule, publié le 16 Juillet 2025. 
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102012 
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL