Nuovi materiali definiti calorici subiscono grandi sbalzi di temperatura se sottoposti a pressione e potrebbero rivoluzionare l’industria dei condizionatori.
di James Temple
Diversi anni fa, ricercatori del Politecnico della Catalogna e dell’Università di Cambridge hanno eseguito una serie di semplici esperimenti che potrebbero rivoluzionare i processi di raffreddamento e refrigerazione. Gli scienziati posizionarono cristalli di plastica di una sostanza chimica comune usata per produrre vernici e lubrificanti, il neopentil glicole, in un ambiente chiuso. Sottoposti all’azione di un pistone, la temperatura dei cristalli aumentò di circa 40˚ C.
Pubblicati l’anno scorso su Nature Communications, i risultati ottenuti descrivevano l’alterazione di temperatura più significativa mai registrata allora. Non solo: i ricercatori dimostrarono anche che alleviare la pressione ha l’effetto opposto di raffreddare i cristalli.
Secondo la squadra di studiosi, i risultati proporrebbero un promettente approccio alternativo ai metodi di refrigerazione tradizionali, “ecologico, senza compromettere le prestazioni”. Tali progressi sono cruciali, poiché l’aumento della ricchezza media, la crescita della popolazione e l’aumento delle temperature a livello globale, entro il 2050 potrebbero triplicare la richiesta di energia da utilizzare per la refrigerazione privata, secondo le proiezioni dell’International Energy Agency.
La variazione di temperatura descritta nei materiali si dimostrò paragonabile a quella che si verifica negli idrofluorocarburi utilizzati per raffreddare i comuni frigoriferi e impianti di condizionamento. Come tutti sappiamo, però, gli idrofluorocarburi, sono potenti gas serra. Oltre a ridurre la necessità di utilizzare idrofluorocarburi, queste nuove tecnologie potrebbero dimostrarsi più efficienti dal punto di vista energetico.
Lo studio condotto sui cosiddetti materiali calorici si basa su fenomeni già noti che vedono questi materiali rilasciare calore non solo se sottoposti a pressione, all’influenza di campi magnetici ed elettrici, o ad una combinazione di queste forze. I materiali rimangono allo stato solido, mentre i refrigeranti tradizionali, a differenza degli idroflurocarburi che funzionano passando dalla fase gassosa a quella liquida.Il nuovo approccio potrebbe rivelarsi più efficiente dal punto di vista energetico, in quanto non si richiede un’alterazione tanto sostanziale da provocare un cambiamento di fase, spiega Jun Cui, scienziato senior dell’Ames Laboratory.
Da decenni si studiano frigoriferi magnetici basati su questi principi, nonostante richiedano solitamente magneti grandi, potenti e costosi. Nuovi passi da gigante sono stati descritti in un recente articolo pubblicato da Science, firmato da Xavier Moya e N.D. Mathur, scienziati dei materiali dell’Università di Cambridge che hanno collaborato agli esperimenti sopra descritti.
I ricercatori stanno individuando e testando numerosi materiali calorici in prototipi di dispositivi di riscaldamento e raffreddamento. Tra i materiali più promettenti si elencano alcune leghe metalliche e sali inorganici.
Le forze o i campi a cui i materiali vengono sottoposti ne allineano atomi e molecole in maniera più ordinata, determinando un cambiamento di fase simile a quello che si verifica quando le molecole d’acqua a flusso libero si trasformano in cristalli di ghiaccio compatti. Questo processo rilascia calore latente. All’allentarsi delle forze impresse, invece, i materiali subiscono una diminuzione nella temperatura che può essere sfruttata per il raffreddamento.
La chiave per proporre dispositivi commerciali competitivi è identificare materiali economici che subiscano facilmente grandi sbalzi di temperatura in un senso e nell’altro possibilmente per milioni di cicli come i frigoriferi attuali.
La startup Maryland Energy & Sensor Technology di Ichiro Takeuchi, scienziato dei materiali presso l’Università del Maryland, ha una decina di anni. Il suo prototipo di dispositivo di raffreddamento ottiene alterazioni della temperatura comprimendo e rilasciando tubi in nichel titanio contenenti acqua. L’acqua si fa quindi vettore dell’alterazione nella temperatura che può quindi essere utilizzata per raffreddare un contenitore o uno spazio abitativo.
Moya, uno degli autori dello studio pubblicato da Science, ha cofondato circa un anno e mezzo fa la startup Barocal, con sede a Cambridge, dove ha sviluppato un prototipo di pompa di calore che si basa su cristalli di plastica “simili, ma migliori del neopentil glicole”, spiega.
Le startup create per commercializzare questa nuova tecnologia refrigerante sono almeno una dozzina. Anche il gigante cinese degli elettrodomestici Haier e l’Astronautics Corporation of America se ne sono interessate. I primi prodotti commerciali sono attesi per il prossimo decennio.
Immagine: Tubi e altri componenti di un prototipo di materiali calorici sviluppato presso l’Università del Maryland. Ichiro Takeuchi
(lo)
