La couleur blanche permet à la lumière du soleil de se refléter naturellement depuis la surface de la Terre et dans l’espace, sans absorber de chaleur. Xiulin Ruan et son équipe, à l’université Purdue, dans l’Indiana, ont réussi à créer un pigment blanc tellement réfléchissant qu’il refroidit la surface sur laquelle il est appliqué de 4,5 à 10 °C par rapport à la température ambiante.
Si l’utilisation de la peinture blanche pour peindre les bâtiments est historique dans les pays chauds, elle est cependant habituellement constituée de sulfate de calcium. Dans cette nouvelle étude, publiée dans Applied Materials & Interfaces, en avril 2021, les chercheurs montrent que l’ajout de sulfate de baryum permet d’augmenter la réflexion solaire jusqu’à 98,1 %, à comparer aux 80 à 90 % des peintures conventionnelles.
Un minerai frais
Le sulfate de baryum possède en effet une large bande d’énergie interdite (band gap), c’est-à-dire une bande dans laquelle les électrons ne prennent aucune valeur d’énergie. Il possède de plus une forte émissivité dans le rayonnement de la fenêtre atmosphérique, entre 8 et 13 µm, l’intervalle où la chaleur passe directement à travers la transparence de l’atmosphère en direction du ciel profond. Si l’émission thermique reflétée par la surface comprise dans cette fenêtre est supérieure à son absorption de la lumière du soleil, alors celle-ci peut refroidir : c’est ce que l’on appelle le refroidissement radiatif passif.
Pour le mettre en place dans un pigment utilisable en peinture, les chercheurs ont tout d’abord développé et testé une pellicule de nanoparticule de 150 μm d’épaisseur sur une plaque de silicium. Une peinture blanche commerciale a été choisie comme échantillon de contrôle. Sur la base de travaux précédents, les chercheurs ont utilisé des particules d’une taille de 400 nm, avec une large distribution, ce qui améliore de manière significative la réflectance solaire globale. Lors des tests sur le terrain, où la pellicule a été exposée pendant 72 heures, elle a atteint une réflectance solaire de 97,6 %, et une émissivité dans la fenêtre atmosphérique de 0,96.
Une peinture acrylique a ensuite pu être produite, avec une concentration volumique de sulfate de baryum de 60 %. Testée dans les mêmes conditions que la pellicule, sa réflectance est montée jusqu’à 98,1 %. La peinture et la pellicule ont toutes deux permis un refroidissement de leurs surfaces de 4,5 à 10 °C par rapport aux températures ambiantes, en fonction de l'ensoleillement, lors d'une exposition de 24 heures en avril 2019 dans la ville de West Lafayette, en Indiana. Cela indique une puissance de refroidissement moyenne de 117 W/m².
Une solution écologique ?
Cette nouvelle peinture a le potentiel de réduire considérable le coût de refroidissement des bâtiments et la dépendance à la climatisation. D’autant plus que ce phénomène de réflexion du blanc est important à l’échelle planétaire pour la stabilité de la température mondiale, et que la disparition dans les prochaines décennies de grandes zones blanches, comme la banquise et la toundra, risquent d’accélérer le réchauffement global de la Terre.
Toutefois, bien que la solution semble idéale, l’extraction de la barytine et son traitement pour produire du sulfate de baryum sont extrêmement énergivores, et présentent donc une empreinte carbone très élevée. Un usage à grande échelle de cette peinture engendrait un accroissement du minage de ce minerai. La question du bénéfice réel de cette technologie est donc encore en suspens.
