Canicule : les machines et ordinateurs souffrent aussi

Les personnes ne sont pas les seules à avoir besoin de rester au frais, surtout en cet été marqué par des vagues de chaleur record. De nombreuses machines, notamment les téléphones portables, les centres de données, les voitures et les avions, perdent de leur efficacité et se dégradent plus rapidement en cas de chaleur extrême. Les machines génèrent également leur propre chaleur, ce qui peut rendre les températures autour d'elles encore plus chaudes.

Les chercheurs en ingénierie que nous sommes étudient la manière dont les machines gèrent la chaleur et les moyens de récupérer et de réutiliser efficacement la chaleur qui est autrement gaspillée. La chaleur extrême affecte les machines de plusieurs manières.

Aucune machine n'est parfaitement efficace - toutes les machines sont confrontées à une certaine friction interne pendant leur fonctionnement. Ces frottements entraînent une dissipation de la chaleur, de sorte que plus il fait chaud à l'extérieur, plus la machine sera chaude.

Les téléphones portables et autres appareils similaires dotés de batteries au lithium-ion cessent également de fonctionner lorsqu'ils sont utilisés dans des climats dépassant 95 degrés Farenheit (35 degrés Celsius) - ceci afin d'éviter la surchauffe et l'augmentation de la tension sur les composants électroniques.

Les systèmes de refroidissement qui utilisent des fluides innovants à changement de phase peuvent aider à maintenir les machines froides, mais dans la plupart des cas, la chaleur est toujours dissipée dans l'air. Ainsi, plus l'air est chaud, plus il est difficile de maintenir une machine suffisamment froide pour qu'elle fonctionne efficacement.

En outre, plus les machines sont proches les unes des autres, plus la chaleur dissipée sera importante dans la zone environnante.

Déformation des matériaux

Les températures élevées, qu'elles soient dues aux conditions météorologiques ou à l'excès de chaleur dégagé par les machines, peuvent entraîner la déformation des matériaux utilisés dans les machines. Pour comprendre cela, il faut se pencher sur la signification de la température au niveau moléculaire.

À l'échelle moléculaire, la température est une mesure de la vibration des molécules. Ainsi, plus il fait chaud, plus les molécules qui composent l'air, le sol et les matériaux des machines vibrent.

Lorsqu'un métal est chauffé, les molécules qu'il contient vibrent plus rapidement et l'espace entre elles s'éloigne. Le métal se dilate alors.

À mesure que la température augmente et que les molécules vibrent davantage, l'espace moyen entre elles s'accroît, ce qui provoque l'expansion de la plupart des matériaux à mesure qu'ils chauffent. Les routes en sont un exemple : le béton chaud se dilate, se comprime et finit par se fissurer. Ce phénomène peut également se produire sur les machines, et les contraintes thermiques ne sont que le début du problème.

Les rues se fissurent sous l'effet de la chaleur, car les températures élevées créent plus d'espace entre les molécules vibrantes, ce qui provoque l'expansion et la déformation du matériau. Priscila Zambotto/Moment via Getty Images

Retards de voyage et risques pour la sécurité

Les températures élevées peuvent également modifier le comportement des huiles dans le moteur de votre voiture, ce qui peut entraîner des défaillances du moteur. Par exemple, si une vague de chaleur fait que la température dépasse de 30 degrés F (16,7 degrés C) la température normale, la viscosité - ou l'épaisseur - des huiles moteur typiques peut être multipliée par trois.

Les fluides tels que les huiles moteur s'amincissent à mesure qu'ils chauffent. Par conséquent, s'il fait trop chaud, l'huile risque de ne pas être assez épaisse pour lubrifier correctement les pièces du moteur et les protéger contre une usure accrue.

En outre, par temps chaud, l'air contenu dans les pneus se dilate et la pression des pneus augmente, ce qui peut accroître l'usure et le risque de dérapage.

Les avions ne sont pas non plus conçus pour décoller à des températures extrêmes. Lorsqu'il fait plus chaud à l'extérieur, l'air commence à se dilater et occupe plus d'espace qu'auparavant, ce qui le rend plus fin ou moins dense. Cette réduction de la densité de l'air diminue le poids que l'avion peut supporter pendant le vol, ce qui peut entraîner des retards importants ou des annulations de vols.

 Dégradation des batteries

En général, l'électronique contenue dans les appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs personnels et les centres de données se compose de nombreux types de matériaux qui réagissent tous différemment aux changements de température. Ces matériaux sont tous situés les uns à côté des autres dans des espaces restreints. Ainsi, lorsque la température augmente, les différents types de matériaux se déforment différemment, ce qui peut entraîner une usure prématurée et des défaillances.

Les batteries au lithium-ion des voitures et de l'électronique générale se dégradent plus rapidement à des températures de fonctionnement plus élevées. En effet, les températures élevées augmentent le taux de réactions à l'intérieur de la batterie, notamment les réactions de corrosion qui épuisent le lithium contenu dans la batterie. Ce processus use la capacité de stockage de la batterie. Des recherches récentes montrent que les véhicules électriques peuvent perdre environ 20 % de leur autonomie lorsqu'ils sont exposés à des températures soutenues de 90 degrés Farenheit.

Les centres de données, qui sont des bâtiments remplis de serveurs qui stockent des données, dissipent d'importantes quantités de chaleur pour maintenir leurs composants au frais. Lorsqu'il fait très chaud, les ventilateurs doivent travailler plus fort pour éviter que les puces ne surchauffent. Dans certains cas, les ventilateurs puissants ne suffisent pas à refroidir les composants électroniques.

Les centres de données, qui stockent de grandes quantités de données, peuvent surchauffer et nécessiter un refroidissement à grande échelle, ce qui augmente leur empreinte écologique. AP Photo/Julie Carr Smyth

Pour maintenir la fraîcheur dans les centres, l'air sec qui arrive de l'extérieur est souvent envoyé à travers un tampon humide. L'eau du tampon s'évapore dans l'air et absorbe la chaleur, ce qui refroidit l'air. Cette technique, appelée refroidissement par évaporation, est généralement un moyen économique et efficace de maintenir les puces à une température de fonctionnement raisonnable.

Cependant, le refroidissement par évaporation peut nécessiter une quantité importante d'eau. Cette question est problématique dans les régions où l'eau est rare. L'eau utilisée pour le refroidissement peut s'ajouter à l'empreinte déjà importante des ressources associées aux centres de données.

Climatiseurs en difficulté

Les climatiseurs peinent à fonctionner efficacement lorsqu'il fait plus chaud à l'extérieur, c'est-à-dire au moment où l'on en a le plus besoin. Lorsqu'il fait chaud, les compresseurs des climatiseurs doivent travailler plus fort pour envoyer la chaleur des maisons à l'extérieur, ce qui augmente de manière disproportionnée la consommation d'électricité et la demande globale d'électricité.

Les vagues de chaleur peuvent mettre à rude épreuve les climatiseurs, qui travaillent déjà dur pour dissiper la chaleur. AP Photo/Paul White

Par exemple, au Texas, chaque augmentation de 1,8 degré F (1 degré C) entraîne une hausse d'environ 4 % de la demande d'électricité.

Dans les pays chauds, la chaleur entraîne une augmentation stupéfiante de 50 % de la demande d'électricité pendant l'été, ce qui fait peser de graves menaces de pénurie d'électricité ou de coupure de courant, sans parler de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre.

Comment prévenir les dommages causés par la chaleur

Les vagues de chaleur et le réchauffement des températures dans le monde entier posent des problèmes importants à court et à long terme, tant pour les personnes que pour les machines. Heureusement, il y a des choses que vous pouvez faire pour minimiser les dégâts.

Tout d'abord, veillez à ce que vos machines soient conservées dans un espace climatisé et bien isolé, ou à l'abri de la lumière directe du soleil.

Deuxièmement, envisagez d'utiliser des appareils à forte consommation d'énergie, comme les climatiseurs, ou de recharger votre véhicule électrique pendant les heures creuses, lorsque moins de personnes consomment de l'électricité. Cela permet d'éviter les pénuries d'électricité au niveau local.

Réutiliser la chaleur

Les scientifiques et les ingénieurs développent des moyens d'utiliser et de recycler les grandes quantités de chaleur dissipée par les machines. Un exemple simple est l'utilisation de la chaleur résiduelle des centres de données pour chauffer de l'eau.

La chaleur perdue pourrait également alimenter d'autres types de systèmes de climatisation, tels que les refroidisseurs à absorption, qui peuvent en fait utiliser la chaleur comme énergie pour soutenir les refroidisseurs grâce à une série de processus chimiques et de transfert de chaleur.

Dans les deux cas, l'énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir quelque chose provient de la chaleur qui est autrement gaspillée. En fait, la chaleur résiduelle des centrales électriques pourrait hypothétiquement couvrir 27 % des besoins en climatisation des habitations, ce qui réduirait la consommation globale d'énergie et les émissions de carbone.

Les chaleurs extrêmes peuvent affecter tous les aspects de la vie moderne, et les vagues de chaleur ne disparaîtront pas dans les années à venir. Toutefois, il existe des possibilités d'exploiter la chaleur extrême et de la mettre à notre service.

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.