Un nouveau matériau développé dans le Massachusetts pourrait un jour contribuer à rendre les fenêtres ultra-efficaces plus abordables pour les propriétaires de maisons et d’entreprises.
Une startup de Cambridge appelée AeroShield a développé un matériau clair et léger qui, lorsqu’il est pris en sandwich entre deux vitres, produit des fenêtres plus isolantes que des options encore plus volumineuses et plus chères.
Les premières recherches de l’entreprise indiquent que les fenêtres incorporant son matériau pourraient réduire les coûts de chauffage et de climatisation résidentiels de 20 %. Les premiers prototypes pourraient être installés dans des projets de démonstration d’ici la fin de 2022, et les produits pourraient arriver sur le marché au sens large en 2023 ou 2024.
« Nous sommes vraiment enthousiasmés par un changement que nous pourrions amorcer dans l’industrie en permettant de meilleurs designs et de meilleurs produits », a déclaré la co-fondatrice Elise Strobach.
Alors que le pays est aux prises avec le besoin urgent de réduire les émissions de gaz à effet de serre, la consommation énergétique des bâtiments est un problème clé à résoudre. La combustion de combustibles fossiles dans les bâtiments représentait environ 29 % des émissions de gaz à effet de serre aux États-Unis en 2018, selon un rapport du Center for Climate and Energy Solutions, une organisation à but non lucratif basée en Virginie.
Pour réduire ces émissions, il faudra, dans la mesure du possible, passer des combustibles fossiles à l’électricité, générer une électricité plus propre sur le réseau et réduire la consommation globale d’électricité. Et une stratégie clé pour réduire la consommation d’énergie consiste à créer des enveloppes de bâtiment extrêmement serrées.
Cependant, les fenêtres ont toujours posé un défi pour atteindre des niveaux d’efficacité élevés : la chaleur perdue ou gagnée par les fenêtres est responsable de jusqu’à 30 % de l’énergie utilisée pour chauffer ou climatiser une maison, selon les estimations du ministère fédéral de l’Énergie.
La grande majorité des fenêtres vendues aux États-Unis sont à double vitrage, ce qui signifie qu’elles sont constituées de deux vitres avec un mince espace entre elles remplies d’air ou d’un autre gaz. Ces fenêtres sont très efficaces, mais il existe un consensus général sur le fait que les fenêtres devront être encore plus performantes pour atteindre les objectifs climatiques et énergétiques. Les fenêtres à triple vitrage permettent d’économiser de l’énergie, mais sont nettement plus volumineuses et plus chères que les fenêtres à double vitrage standard.
Les chercheurs ont tenté de développer des fenêtres encore plus efficaces de plusieurs manières, a déclaré Stephen Selkowitz, un scientifique des matériaux de construction qui a passé 40 ans à travailler au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Certains essaient diverses combinaisons de gaz entre les vitres et les couches minces sur le verre. D’autres essaient d’évacuer tout l’air entre les vitres, créant un vide isolant au milieu de la fenêtre.
Strobach s’attend à ce qu’AeroShield permette aux fenêtres à double vitrage d’être plus isolantes que le triple vitrage, mais avec un poids plus léger et un prix inférieur. Les fenêtres AeroShield peuvent également être plus résistantes que les fenêtres scellées sous vide, qui perdraient la majeure partie de leur impact thermique si même une petite fissure dans une vitre brisait le vide.
« Ce n’est pas exagéré de dire qu’ils révolutionnent fondamentalement la technologie des fenêtres – si vous pouvez rendre ce produit prêt pour la commercialisation, vous pouvez vraiment changer la donne », a déclaré Emily Reichert, directrice générale de Greentown Labs, un incubateur technologique où AeroShield a fait une grande partie de son travail.
Bien choisir le verre
AeroShield a commencé avec les recherches menées par Strobach pour son doctorat au Massachusetts Institute of Technology, à la recherche de moyens de mieux isoler les panneaux solaires afin qu’ils génèrent de l’électricité plus efficacement. Elle s’est tournée vers l’aérogel de silice qui, malgré ce que son nom l’indique, n’est ni collant ni suintant. C’est un verre solide très léger et très poreux qui est un si bon isolant que la NASA l’a utilisé pour protéger des équipements critiques.
Inventés pour la première fois en 1931, les aérogels ne sont pas une nouvelle technologie. Cependant, l’aérogel de silice a toujours été d’une couleur bleu pâle trouble, trop opaque pour laisser passer suffisamment de lumière du soleil vers les panneaux solaires. L’objectif de Strobach était de comprendre comment rendre le matériau transparent.
« C’est l’un des matériaux les plus isolants au monde », a déclaré Strobach. « Mais cela n’avait jamais été clair. »
Ses recherches ont abouti même au-delà de son objectif initial. Le matériau qu’elle a créé laissait non seulement passer suffisamment de lumière solaire, mais il était également suffisamment clair pour voir à travers. Essentiellement, a-t-elle expliqué, son équipe a fabriqué des nanoparticules de verre et les pores entre elles plus petits que la longueur d’onde de la lumière visible, de sorte que, dans le matériau final, la lumière n’interagit pas avec le matériau.
L’effet des particules et des pores extrêmement minuscules, a-t-elle expliqué, est similaire à la marche sous la pluie : de petites gouttes de pluie avec un espace suffisant entre elles n’offrent pratiquement aucune résistance au corps en mouvement.
Ce niveau de transparence inattendu a amené Strobach et ses collègues chercheurs à réfléchir à d’autres applications possibles pour son aérogel. C’est alors qu’ils ont eu l’idée de l’insérer dans des fenêtres à double vitrage pour booster leurs qualités isolantes.
Strobach a changé l’orientation de son travail de doctorat pour optimiser l’aérogel pour les fenêtres et a commencé à réfléchir à la logistique de fabrication et de vente du matériel. Alors qu’elle parlait aux gens de l’industrie de la fenêtre, elle s’est rendu compte qu’elle était sur quelque chose.
« L’industrie était très ouverte à partager les problèmes auxquels elle avait été confrontée », a-t-elle déclaré. « Non seulement c’est un problème que nous pourrions résoudre, mais c’est un problème vraiment difficile à résoudre sans nous. »
Strobach et son partenaire commercial Kyle Wilke ont lancé AeroShield fin 2019, peu de temps avant que Strobach n’achève son doctorat. début 2020. La société a immédiatement attiré l’attention du Massachusetts Clean Energy Center, une agence quasi-publique qui aide à financer et à soutenir les entreprises d’énergie propre dans l’État. Depuis 2019, le centre d’énergie propre a accordé à l’entreprise plus de 400 000 $ en subventions pour soutenir le développement de prototypes, pour l’aider à rester à flot pendant le ralentissement économique induit par la pandémie et pour commencer à intensifier son processus de fabrication.
« Elle sort avec une science de haut niveau », a déclaré Ariel Horowitz, directeur principal du programme au centre d’énergie propre. « [Windows] ne vous semblerait pas nécessairement une application sexy, mais elle a tellement d’impact – tellement nécessaire. »
Aller au marché
En 2020, AeroShield a rejoint l’espace incubateur de Greentown Labs, a reçu une subvention de 256 000 $ de la National Science Foundation et a été sélectionné pour une bourse Activate, qui aide à soutenir les entrepreneurs technologiques dans la transformation de leurs recherches en entreprises. Plus récemment, l’entreprise a été sélectionnée pour participer au Healthy Buildings Challenge, un programme visant à encourager les entreprises qui visent à créer des bâtiments plus confortables et respectueux de l’environnement. Le financement du challenge aidera Aeroshield à planifier son lancement de production.
« Ils commercialisent beaucoup plus rapidement que ce à quoi nous nous attendions pour un matériau de construction manufacturé », a déclaré Horowitz.
Pourtant, des obstacles subsistent avant qu’AeroShield ne puisse arriver sur le marché.
La production régulière de feuilles d’aérogel – qui est très fragile – dans les tailles nécessaires pour les fenêtres a été un défi précoce. Cependant, l’entreprise a récemment développé un processus pour produire avec succès des feuilles intactes de son matériau de 20 pouces sur 14 pouces, une taille de fenêtre standard dans l’industrie.
La prochaine étape consiste à travailler avec des partenaires de l’industrie pour placer ces feuilles dans de vraies fenêtres et effectuer des tests rigoureux pour valider la durabilité et les qualités thermiques du matériau, a déclaré Strobach.
Elle s’attend à ce qu’AeroShield finisse par travailler avec les fabricants qui fabriquent les vitres des fenêtres, plutôt qu’avec les entreprises qui construisent les fenêtres complètes, y compris le châssis et le cadre. Ses raisons sont à la fois pratiques et environnementales.
« Le premier partenaire dont nous avons besoin est la personne qui fabrique du verre isolant », a-t-elle déclaré. « La façon la plus écoénergétique d’améliorer les choses semble être d’utiliser les connaissances et l’équipement dont nous disposons. »
Cependant, le marché des fenêtres hautement efficaces pourrait être délicat, a déclaré Rick Dunn, chef de produit des technologies émergentes pour la Northwest Energy Efficiency Alliance.
Souvent, lorsqu’on leur présente de nouvelles technologies d’économie d’énergie, les fabricants peuvent être réticents à consacrer trop d’argent et d’équipement à un produit sans un niveau de demande prouvé. Cependant, en ne produisant qu’une petite quantité d’un nouveau produit, ils maintiennent les prix élevés, ce qui réduit la demande. Briser ce cycle est un défi pour tout nouveau venu proposant des matériaux de construction écoénergétiques, a déclaré Dunn.
À terme, cependant, des forces extérieures contribueront à stimuler la demande, a-t-il noté. Les codes du bâtiment dans de nombreux endroits commencent lentement à exiger une plus grande efficacité énergétique, et le programme fédéral EnergyStar est en train d’augmenter ses normes de performance pour l’isolation des fenêtres.
Pour l’instant, AeroShield se concentrera sur la commercialisation de fenêtres pour bâtiments résidentiels, mais Strobach envisage un avenir dans lequel le matériau sera la norme pour les fenêtres de tous types.
« Je pense qu’AeroShield espère un jour faire partie de toutes les nouvelles fenêtres », a-t-elle déclaré. « Quand nous parlons de notre technologie énergétique, nous la considérons comme la pièce d’un plus grand puzzle. »