Il raffreddamento a stato solido non richiede elettricità: il calore si trasforma in freddo
I ricercatori hanno sviluppato – in anteprima mondiale – un sistema di raffreddamento elastocalorico alimentato dal calore che sfrutta il calore residuo e l’energia solare per garantire un raffreddamento sostenibile
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Frigoriferi, impianti di climatizzazione e data center consumano enormi quantità di elettricità e la domanda di raffreddamento è in costante aumento. Un gruppo di ricerca dell’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) e dell’Università di Tsukuba in Giappone presenta ora un nuovo approccio, dimostrato da un prototipo in cui il calore assume il ruolo precedentemente svolto da un motore elettrico. Due pellicole ultrasottili a memoria di forma interagiscono per convertire l’energia termica in lavoro meccanico in una prima fase e, infine, in freddo misurabile. Il loro lavoro apre nuove possibilità per il futuro utilizzo del calore di scarto e dell’energia solare per il raffreddamento allo stato solido. I risultati sono stati pubblicati su *Nature Energy*.
Il principio di base del raffreddamento per frigoriferi, impianti di climatizzazione o data center è rimasto lo stesso per oltre un secolo. Un compressore alimentato a elettricità trasferisce il calore trasportato da un refrigerante da un luogo all’altro. Poiché la domanda di raffreddamento è in costante aumento, il raffreddamento e il riscaldamento rappresentano ormai quasi la metà del consumo energetico globale. A ciò si aggiunge il fatto che molti refrigeranti comunemente utilizzati contribuiscono al riscaldamento globale. Il raffreddamento allo stato solido elastocalorico è considerato un’alternativa promettente: le leghe a memoria di forma tendono a raffreddarsi una volta che viene rilasciato un carico meccanico precedentemente applicato. Tuttavia, anche i sistemi elastocalorici hanno finora fatto affidamento su un attuatore azionato elettricamente per generare la forza necessaria – il che significa che non potevano utilizzare direttamente fonti di calore disponibili in abbondanza, come il calore di scarto o l’energia solare.
Azionamento tramite calore anziché energia elettrica
È proprio qui che entra in gioco il nuovo approccio sviluppato dal team di ricerca, che accoppia due film ultrasottili di nichel-titanio con funzioni complementari. Il primo film sfrutta l’effetto memoria di forma: una volta riscaldato, inizia a contrarsi, convertendo così l’energia termica direttamente in lavoro meccanico – senza l’ausilio di un motore elettrico. Questo movimento si trasferisce immediatamente alla seconda pellicola, dove il carico e lo scarico ciclici provocano alterazioni reversibili nella struttura cristallina che generano freddo. In questo modo, il calore sostituisce l’attuatore azionato elettricamente, che in precedenza veniva utilizzato per azionare i sistemi di raffreddamento elastocalorici.
«L’innovazione fondamentale consiste nel combinare due funzioni complementari delle leghe a memoria di forma: una pellicola converte il calore in lavoro meccanico e l’altra converte questo lavoro in freddo», ha affermato il dott. Jingyuan Xu, a capo del Gruppo di Giovani Ricercatori dello ZEco Thermal Lab presso l’Istituto di Tecnologia delle Microstrutture (IMT) del KIT. «In questo modo, stiamo definendo un nuovo approccio per il raffreddamento allo stato solido, aprendo così interessanti possibilità per l’utilizzo del calore residuo e dell’energia solare».
Confermati in laboratorio i primi valori di capacità di raffreddamento
A una temperatura dell’attuatore di 86 °C, il prototipo di questo sistema ha raggiunto una differenza di temperatura di 4 °C a livello dei componenti, mentre la variazione di temperatura nel refrigerante elastocalorico è stata di quasi 13 °C. In questo modo, i ricercatori sono riusciti a dimostrare per la prima volta la fattibilità del loro concetto in sede sperimentale. L’impianto ha funzionato in modo affidabile anche con una fonte di calore esterna che forniva 130 °C, dimostrando che il sistema è in grado di funzionare con fonti di calore reali. «Il momento decisivo per noi è stato quando siamo riusciti a misurare il freddo effettivamente generato da un sistema alimentato dal calore», ha affermato Yi-Ting Hsiau, autore principale dello studio e dottorando presso l’IMT. «Questo ci ha dimostrato che il principio non funziona solo in teoria».
L’attuale configurazione è stata progettata come studio di fattibilità e non è quindi ancora ottimizzata per una capacità di raffreddamento massima. Il team sta già lavorando al collegamento in parallelo di più pellicole per aumentare la capacità di raffreddamento. Le potenziali applicazioni spaziano dal raffreddamento dei processori nei computer, che potrebbero utilizzare il proprio calore residuo a questo scopo, al raffreddamento dei componenti elettronici sensibili nelle automobili utilizzando il calore proveniente dalla catena cinematica.
Lo studio è stato condotto in collaborazione con l’Università di Tsukuba in Giappone, aprendo la strada a un sistema di raffreddamento allo stato solido alimentato dal calore, adatto all’uso pratico. «Riteniamo che questo sia solo l’inizio», ha affermato Xu. «Ampliando su larga scala questa tecnologia, vogliamo sviluppare sistemi di raffreddamento compatti che sfruttino fonti di calore disponibili in abbondanza per un raffreddamento sostenibile».
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