Les matériaux luminescents sont-ils les éclairages urbains du futur ?

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Vers 1603, Vincenzo Casciarolo, cordonnier italien et alchimiste amateur, a essayé de faire fondre une pierre particulièrement dense qu'il avait trouvée sur les pentes du mont Paderno, près de Bologne. Il n'a pas obtenu d'or, d'argent ou d'autres métaux précieux comme il l'avait espéré. Mais après le refroidissement de la pierre, Casciarolo a fait une découverte intéressante : S'il exposait le matériau à la lumière du soleil, puis le transportait dans une pièce sombre, la pierre brillait.

Cette "pierre de Bologne" était la première substance luminescente persistante préparée artificiellement. De nombreuses autres ont suivi et, aujourd'hui, les matériaux luminescents persistants sont utilisés pour la décoration, l'éclairage d'urgence, le marquage des chaussées et l'imagerie médicale.

Un jour, ils pourraient nous donner des villes lumineuses qui restent plus fraîches et consomment moins d'électricité.

Une nouvelle génération de matériaux luminescents pourrait rafraîchir les villes en réémettant la lumière qui, autrement, serait transformée en chaleur. Ils pourraient également réduire la consommation d'énergie, puisque les trottoirs luminescents, les balises routières lumineuses ou même les bâtiments lumineux pourraient remplacer une partie de l'éclairage public. Certaines villes européennes ont déjà installé des pistes cyclables lumineuses, et certains chercheurs ont étudié l'utilisation de peinture luminescente pour le marquage des routes.

"C'est mieux pour l'environnement", déclare Paul Berdahl, un physicien de l'environnement aujourd'hui retraité du Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie. "Si la technologie peut être améliorée, nous pouvons utiliser moins d'énergie.... C'est une chose intéressante à faire."

La pierre de Bologne, une forme de baryte minérale, a fasciné les philosophes naturels à l'époque, mais n'a jamais été particulièrement utile. Mais dans les années 1990, les chimistes ont mis au point de nouveaux types de matériaux photoluminescents persistants, comme l'aluminate de strontium, qui conservent une forte lueur pendant des heures après avoir été exposés à la lumière. La plupart de ces nouveaux matériaux émettent une lueur bleue ou verte, mais quelques-uns sont jaunes, rouges ou orange.

Ces matériaux photoluminescents fonctionnent en "piégeant" l'énergie d'un photon, puis en réémettant cette énergie sous forme de lumière de plus faible longueur d'onde. Parfois, la lumière est émise immédiatement, comme dans le cas d'une ampoule fluorescente. D'autres matériaux, dits à luminescence persistante, stockent l'énergie plus longtemps et l'émettent plus lentement.

Ces matériaux qui brillent fortement pendant des heures ouvrent des possibilités, comme des villes "phosphorescentes" éclairées par des chaussées et des bâtiments luminescents. Étant donné que 19 % de la consommation mondiale d'énergie est destinée à l'éclairage, et qu'en Europe, environ 1,6 % est destiné à l'éclairage public, les économies d'énergie potentielles sont importantes, écrivent Anna Laura Pisello, ingénieur en bâtiment, et ses collègues dans la revue Annual Review of Materials Research de 2021.

L'un des problèmes de cette approche est que la plupart des matériaux luminescents ne brillent pas toute la nuit. De meilleurs matériaux pourraient aider à résoudre ce problème, explique Mme Pisello, de l'université de Pérouse, qui étudie les matériaux de construction économes en énergie. En attendant, les matériaux existants pourraient être combinés à un éclairage électrique qui s'allumerait suffisamment longtemps pour recharger les marquages routiers avant de s'éteindre à nouveau.

La peinture luminescente pourrait également assurer l'éclairage des zones extérieures. Le laboratoire de Pisello a mis au point une telle peinture luminescente et, dans un rapport de 2019, a simulé ce qui se passerait s'il peignait avec elle un chemin public près d'une gare. Selon les scientifiques, en brillant toute la nuit, la peinture réduirait l'énergie nécessaire à l'éclairage d'environ 27 % dans la zone immédiate.

Si cela fait craindre que des villes entières s'illuminent toute la nuit et aggravent la pollution lumineuse, M. Pisello estime que cela est peu probable. Les matériaux luminescents ne feraient probablement que remplacer l'éclairage existant, sans l'augmenter. La couleur des matériaux luminescents pourrait être choisie de manière à éviter les fréquences bleues qui se sont avérées particulièrement nocives pour la faune.

Les matériaux luminescents pourraient également contribuer à lutter contre ce que l'on appelle l'effet d'îlot de chaleur urbain. Les toits et les trottoirs absorbent l'énergie du soleil et l'émettent sous forme de chaleur, ce qui fait que les températures estivales en ville sont en moyenne 7,7 degrés Celsius plus élevées que dans la campagne environnante. Ces températures élevées constituent un risque potentiel pour la santé et entraînent également une augmentation de la consommation d'énergie pour refroidir les bâtiments.

Une solution de plus en plus courante consiste à utiliser des matériaux "froids" qui réfléchissent la lumière, comme la peinture blanche et l'asphalte de couleur claire. Il s'avère que l'ajout de matériaux luminescents peut être encore plus utile.

Au Lawrence Berkeley Lab, Berdahl et son équipe ont fait des expériences avec du rubis synthétique, un matériau qui est luminescent à la lumière du soleil, pour fabriquer des revêtements colorés qui restent frais. Lors d'une première expérience, ils ont constaté qu'une surface pigmentée au rubis restait plus froide au soleil qu'un matériau de couleur similaire dépourvu de ce pigment spécial.

Le laboratoire de Pisello est allé plus loin en ajoutant au béton plusieurs matériaux à luminescence persistante, c'est-à-dire des matériaux qui stockent l'énergie lumineuse et la restituent lentement. Par rapport à des surfaces non luminescentes de même couleur, les meilleurs d'entre eux ont permis de réduire la température de l'air ambiant de 3,3 °C les jours de grand soleil.

"Vous pouvez rendre [une surface] aussi réfléchissante que possible. Mais peut-on aller au-delà ? L'idée est que vous pouvez peut-être aller un peu plus loin en utilisant la luminescence persistante comme autre moyen de transférer de l'énergie vers l'extérieur..... C'est intéressant", déclare Patrick E. Phelan, ingénieur en mécanique à l'Arizona State University, coauteur d'un article sur l'effet d'îlot de chaleur urbain publié dans l'Annual Review of Environment and Resources.

Il existe 250 matériaux luminescents connus, dont beaucoup n'ont pas encore été étudiés pour des applications pratiques. M. Pisello estime qu'il existe un potentiel pour des peintures et des revêtements luminescents qui durent plus longtemps et brillent davantage dans un plus grand nombre de couleurs.

"À court terme, la solution la plus simple et la plus efficace consiste à améliorer ce que nous avons déjà", explique-t-elle. Il s'agit notamment de modifier les matériaux pour qu'ils diffusent la lumière plus longtemps, plus fortement ou dans des couleurs différentes, et de s'assurer qu'ils continuent à fonctionner dans des environnements réels.

À plus long terme, ajoute-t-elle, de nouvelles catégories de matériaux d'ingénierie pourraient être encore plus efficaces. Par exemple, on pourrait se tourner vers les "points quantiques" - de minuscules particules semi-conductrices qui peuvent être rendues lumineuses et qui sont déjà utilisées en imagerie biologique - ou les pérovskites, des matériaux utilisés dans les cellules solaires qui sont également étudiés pour leurs propriétés luminescentes.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.