Un bâtiment économe en énergie doit consommer moins d'énergie qu'auparavant en ce qui concerne l'éclairage intérieur et les conditions météorologiques. Une collecte efficace et cohérente de la lumière du soleil peut réduire considérablement la consommation électrique tout en favorisant un éclairage intérieur naturel et confortable. Parallèlement, une isolation thermique efficace des matériaux de construction pourrait être rentabilisée par des économies sur l'utilisation de la climatisation. L'éclairage et la climatisation représentent plus de ≈50 % de l'énergie totale utilisée dans les bâtiments aux États-Unis, selon le ministère américain de l'Énergie. Et les fenêtres jouent un rôle clé dans la gestion de l'énergie au sein des bâtiments.
Composite de bois transparent comme matériau de construction
Un composite de bois transparent comme matériau de construction permettant de récolter efficacement la lumière du soleil pour fournir un éclairage intérieur cohérent et uniforme. Les fibres de bois transparentes alignées verticalement dans le bois naturel présentent un effet de guidage efficace de la lumière visible avec un grand rapport de diffusion avant/arrière. Utilisé comme fenêtre ou comme toit, le bois transparent peut guider efficacement la lumière du soleil dans la maison. Des propriétés optiques uniques, notamment un trouble optique extrême (>95%) dans la gamme à large bande et une transmittance élevée (>85%), permettent d'obtenir un éclairage ambiant intérieur uniforme et confortable sans effet d'éblouissement dans les bâtiments.
Une isolation thermique bien meilleure que le verre
Le bois composite transparent présente également une isolation thermique bien meilleure que le verre, avec une conductivité thermique au moins trois fois inférieure. Les émissions de gaz à effet de serre des secteurs résidentiels et commerciaux peuvent être principalement attribuées à la consommation d'énergie des bâtiments. L'application du matériau de construction en bois transparent à haut rendement énergétique peut permettre de réaliser des économies d'énergie substantielles et de réduire ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Les composites transparents à base de bois peuvent trouver une série d'applications potentielles dans les bâtiments éco-énergétiques de la prochaine génération.
Un isolant thermique naturel doté d'une excellente résistance mécanique
Contrairement au verre, le bois est un isolant thermique naturel doté d'une excellente résistance mécanique, qui est utilisé comme matériau structurel pour les maisons et les cabanes depuis des milliers d'années. Les cellules du bois se développent naturellement dans la direction verticale pour le transport de l'eau et des nutriments pour le processus de photosynthèse et sont composées de cellulose et d'hémicellulose avec de la lignine à l'intérieur. Cependant, le bois naturel n'est pas transparent en raison de la lignine qui absorbe la lumière et des cellules de diffusion de taille microscopique.
Dans ce travail, on démontre l'application du bois transparent comme matériau de construction économe en énergie pour la récolte de la lumière, avec les avantages suivants :
Premièrement, le bois transparent peut récolter efficacement la lumière du soleil avec une transmittance à large bande de >85%. Grâce à la brume extrêmement élevée (≈95%) du bois transparent, l'éclairage intérieur peut être maintenu uniforme et cohérent.
Deuxièmement, le bois transparent présente un effet de diffusion vers l'avant directionnel, qui peut être utilisé pour guider efficacement la lumière du soleil dans le bâtiment.
Troisièmement, les cellules du bois présentent une grande résistance aux phonons avec des frontières multiples. La conductivité thermique le long et à travers les canaux du bois est mesurée pour être aussi faible que 0,32 et 0,15 W m-1 K-1, respectivement. Utilisé comme matériau de construction transparent, le bois composite peut offrir une meilleure isolation thermique que le verre standard et contribuer à réduire l'utilisation de la climatisation.
En outre, ce bois transparent présente une grande capacité d'absorption des impacts. Lorsqu'il est soumis à un impact soudain, les microcanaux dans lesquels est infiltré le polymère absorbent et dispersent l'énergie, empêchant ainsi le bois de se briser. La distribution de l'intensité de la lumière transmise est insensible à la direction du soleil, ce qui permet de conserver une lumière intérieure constante tout au long de la journée. Le flux de chaleur par conduction peut également être réduit avec une température intérieure plus constante. Le bois transparent utilisé comme matériau pour les fenêtres ou les toits pourrait finalement s'amortir en permettant de réaliser des économies sur la consommation d'énergie pour l'éclairage et la climatisation à l'intérieur de la maison.