Le ciment chinois auto-refroidissant, une avancée majeure pour rafraîchir durablement les villes

Le ciment chinois auto-refroidissant : son fonctionnement et ses enjeux

Alors que le monde fait face à la hausse des températures, aux îlots de chaleur urbains et à une demande croissante d’énergie pour la climatisation, une équipe de chercheurs de l’Université du Sud-Est, en Chine, a dévoilé un matériau novateur : un ciment auto-refroidissant. Conçu pour réfléchir la lumière du soleil et rayonner la chaleur, ce ciment pourrait garder les bâtiments plus frais, réduire leur consommation d’énergie et aider les villes à lutter contre le changement climatique. Cette avancée, publiée dans la prestigieuse revue Science Advances, pourrait transformer la conception et la construction des environnements urbains.

Qu’est-ce qui distingue ce ciment ?

Le ciment traditionnel, pilier de la construction moderne, est connu pour absorber et emmagasiner la chaleur du soleil. Les bâtiments deviennent ainsi inconfortablement chauds, tandis que le phénomène d’îlot de chaleur urbain s’accentue : les villes sont nettement plus chaudes que les zones rurales environnantes en raison de la densité des infrastructures et du manque de végétation. Le nouveau ciment mis au point en Chine inverse cette tendance en agissant à la fois comme un miroir et un radiateur : il diffuse la lumière solaire incidente et évacue la chaleur de sa surface, ce qui le maintient, ainsi que les bâtiments qu’il recouvre, beaucoup plus frais.

Son secret réside dans sa composition et sa structure particulières. Le ciment est conçu avec une « métasurface » — une surface spécialement élaborée à l’échelle microscopique — obtenue en modifiant la composition chimique des particules de clinker et en appliquant une pression pendant la fabrication. Ce procédé favorise l’auto-assemblage de minuscules cristaux réfléchissants d’un minéral appelé ettringite, ainsi que la formation d’un réseau de pores hiérarchisés. Ensemble, ces caractéristiques confèrent au ciment une capacité exceptionnelle : il réfléchit 96,2 % de la lumière solaire et émet 96 % de sa chaleur sous forme de rayonnement infrarouge.

Comment fonctionne le refroidissement radiatif ?

Le refroidissement radiatif est une technologie passive qui permet aux surfaces d’évacuer la chaleur en émettant un rayonnement infrarouge à travers l’atmosphère terrestre, jusque dans l’espace. Contrairement aux méthodes de refroidissement conventionnelles, qui nécessitent de l’électricité, comme la climatisation, il fonctionne sans apport d’énergie. Le nouveau ciment exploite ce principe en maximisant à la fois son pouvoir réfléchissant solaire (il renvoie la lumière du soleil) et son émissivité dans l’infrarouge moyen (il rayonne efficacement la chaleur vers l’extérieur). Sa surface peut ainsi rester plus fraîche que l’air ambiant, même en plein soleil.

Performances : résultats sur le terrain et durabilité

Des essais sur le terrain ont démontré les remarquables capacités de refroidissement du ciment. Sur un toit exposé à la chaleur de l’Université Purdue, dans l’Indiana, la température de surface du ciment à très fort pouvoir refroidissant a été mesurée à 5,4 °C (9,72 °F) de moins que celle de l’air ambiant au moment où l’ensoleillement était maximal, tandis que le ciment conventionnel était nettement plus chaud. Cette baisse de température n’est pas qu’une curiosité de laboratoire : elle se traduit par de réelles économies d’énergie et un meilleur confort pour les occupants des bâtiments.

Au-delà de ses propriétés refroidissantes, ce ciment est robuste et polyvalent. Il conserve une résistance élevée et une bonne résistance à l’abrasion. Il reste également stable après exposition à des liquides corrosifs, aux rayons ultraviolets et à des cycles de gel et de dégel. Le matériau peut aussi être coloré à des fins esthétiques sans perte importante de ses propriétés réfléchissantes, ce qui le rend adapté à de nombreux usages architecturaux, des revêtements aux éléments de structure.

Autre avantage : son procédé de fabrication est facile à déployer à grande échelle et économique. Le ciment peut être produit à une température inférieure à celle du ciment Portland traditionnel, ce qui réduit son coût de fabrication d’environ 5 dollars par tonne. La voie est ainsi ouverte à une adoption à grande échelle, dans les constructions neuves comme dans la rénovation de bâtiments existants.

Impact environnemental : vers des émissions nettes de carbone négatives

Les bénéfices environnementaux de ce ciment auto-refroidissant vont bien au-delà des économies d’énergie. La production de ciment est l’une des principales sources d’émissions industrielles de dioxyde de carbone dans le monde : elle représente environ 8 % des émissions mondiales de CO2. En réduisant le recours à la climatisation, ce nouveau ciment pourrait contribuer à diminuer la consommation énergétique des bâtiments, un secteur responsable d’environ 40 % de la consommation mondiale d’énergie et de 36 % des émissions de carbone.

L’innovation va toutefois plus loin. Une analyse du cycle de vie guidée par l’apprentissage automatique et réalisée par l’équipe de recherche indique que, déployé à grande échelle, ce ciment à très fort pouvoir refroidissant pourrait présenter un bilan net d’émissions de carbone négatif sur la durée de vie d’un bâtiment. Autrement dit, les économies de carbone résultant de la baisse de la consommation d’énergie pourraient dépasser les émissions générées par la production du ciment, rendant potentiellement les bâtiments non seulement neutres en carbone, mais aussi négatifs en carbone.

Comparaison des technologies de refroidissement : radiatif, réfléchissant et évaporatif

Les technologies de refroidissement passif suscitent un intérêt croissant alors que les villes recherchent des solutions durables pour lutter contre la chaleur. Trois grandes approches sont couramment utilisées :

• Refroidissement par réflexion : les surfaces sont recouvertes de matériaux qui réfléchissent la lumière solaire et réduisent l’absorption de chaleur. Cette méthode est efficace, mais elle n’évacue pas activement la chaleur et peut être moins performante dans les climats extrêmement chauds.
• Refroidissement par évaporation : l’évaporation de l’eau refroidit les surfaces, mais son efficacité diminue lorsque l’air est humide et elle nécessite une source d’eau.
• Refroidissement radiatif : les surfaces émettent un rayonnement infrarouge à travers la fenêtre atmosphérique vers l’espace, ce qui les refroidit même en plein soleil. Le nouveau ciment chinois relève de cette catégorie. Les essais sur le terrain ont montré qu’il surpasse les méthodes réfléchissantes et évaporatives, en particulier dans les climats chauds et secs.

À titre d’exemple, une étude comparative menée à Chongqing, en Chine, a montré que les surfaces à refroidissement radiatif atteignaient, pendant les heures de travail, des températures extérieures inférieures de 2 °C à la température ambiante, surpassant les technologies de refroidissement par réflexion et par évaporation.

Des bénéfices pour les villes : économies d’énergie et atténuation des îlots de chaleur

L’utilisation de ciment auto-refroidissant sur les toits et les murs en milieu urbain pourrait apporter des bénéfices importants :

• Des factures d’énergie réduites : en maintenant les bâtiments plus frais, le besoin de climatisation diminue, entraînant d’importantes économies d’électricité. Selon des estimations, les toitures à très fort pouvoir refroidissant peuvent économiser de 42,9 à 97,8 kWh d’électricité par mètre carré et par an pour le refroidissement.
• Moins d’émissions de carbone : la baisse de la consommation d’énergie se traduit directement par une réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les toitures à très fort pouvoir refroidissant peuvent réduire les émissions de carbone de 24,6 à 56,1 kilogrammes par mètre carré et par an.
• Un meilleur confort urbain : des bâtiments plus frais offrent un intérieur plus confortable et rejettent moins de chaleur dans les rues, ce qui contribue à atténuer le phénomène d’îlot de chaleur urbain.
• Une solution économiquement viable : le surcoût de l’installation de toitures à très fort pouvoir refroidissant est compensé par les économies d’énergie. Dans les villes chaudes, le retour sur investissement peut être atteint en cinq ans seulement.

Ces avantages sont particulièrement importants alors que le réchauffement climatique entraîne des vagues de chaleur plus fréquentes et plus intenses, qui mettent davantage à l’épreuve les infrastructures urbaines et les systèmes de santé publique.

Défis et considérations pour un déploiement à grande échelle

Malgré l’immense potentiel du ciment auto-refroidissant, les spécialistes soulignent que ses performances en conditions réelles dépendront de plusieurs facteurs :

• Climat et géographie : le refroidissement radiatif est plus efficace dans les régions sèches et dégagées, où l’atmosphère laisse passer le rayonnement infrarouge. Son efficacité peut diminuer dans les environnements humides ou pollués.
• Urbanisme : un déploiement à grande échelle pourrait modifier les régimes de vent locaux, la pollution lumineuse et l’accumulation de polluants. Un urbanisme réfléchi est nécessaire pour maximiser les bénéfices et limiter les conséquences imprévues.
• Vieillissement du matériau : avec le temps, la poussière, les saletés et les intempéries peuvent réduire les propriétés réfléchissantes et émissives des matériaux utilisés pour les toitures fraîches. Un entretien régulier et des améliorations des matériaux seront nécessaires.

Malgré ces défis, les chercheurs s’accordent à dire que le ciment à très fort pouvoir refroidissant représente une avancée majeure pour les technologies de construction durable. Comme le souligne Oscar Brousse, chercheur en sciences du bâtiment à l’University College London :

Ce matériau renforce à la fois la réflectivité et l’émissivité. Ainsi, toute énergie absorbée par le matériau ou transmise à celui-ci est efficacement réémise. Il faudra toutefois mener d’autres essais pour bien comprendre ses performances à long terme en conditions réelles.

Enjeux plus larges : une voie vers des villes plus vertes

La mise au point du ciment auto-refroidissant s’inscrit dans un mouvement plus large en faveur du refroidissement passif et d’un urbanisme économe en énergie. Les progrès de la nanophotonique et des métamatériaux ont permis de concevoir des toitures à très fort pouvoir refroidissant et capables de s’adapter à la température, qui maintiennent la température de leur surface sous celle de l’air ambiant même en plein soleil. Ces technologies réduisent les besoins en refroidissement des bâtiments et les émissions de CO2, tout en améliorant la qualité de l’air urbain et la résilience face au changement climatique.

En Chine, où l’urbanisation et l’industrialisation rapides ont fait grimper la consommation d’énergie et les émissions, l’adoption de ce ciment à très fort pouvoir refroidissant pourrait jouer un rôle déterminant dans l’atteinte des objectifs nationaux de neutralité carbone. Cette technologie pourrait aussi être utile aux villes du monde entier, en particulier à celles confrontées à des chaleurs extrêmes et à des coûts énergétiques élevés.

À mesure que les villes continuent de s’étendre et que les défis climatiques s’intensifient, des innovations comme le ciment auto-refroidissant donnent un aperçu d’un avenir urbain plus durable, plus confortable et plus résilient.

En bref

• Des chercheurs chinois ont mis au point un ciment auto-refroidissant qui réfléchit la lumière solaire et évacue la chaleur, gardant les bâtiments plus frais sans climatisation.
• Grâce à sa métasurface conçue sur mesure et à ses cristaux réfléchissants d’ettringite, ce ciment permet de réduire la température de surface jusqu’à 5,4 °C (9,72 °F) en plein soleil.
• Durable et économique, il peut être produit à grande échelle et convient à de nombreux usages : toitures, murs et revêtements.
• L’analyse du cycle de vie indique que ce ciment pourrait permettre aux bâtiments d’atteindre un bilan net d’émissions de carbone négatif en réduisant leur consommation d’énergie pour le refroidissement.
• Les technologies de refroidissement radiatif comme ce ciment surpassent les méthodes traditionnelles par réflexion et par évaporation, en particulier dans les climats chauds et secs.
• Un déploiement à grande échelle pourrait aider les villes à économiser de l’énergie, à réduire leurs émissions et à atténuer les îlots de chaleur urbains. Les performances en conditions réelles dépendront toutefois du climat, de l’urbanisme et de la durabilité du matériau.
• Cette avancée constitue une étape importante vers des environnements urbains durables et économes en énergie partout dans le monde.