Come lo Stress Meccanico Crea un'Alternativa Ecologica ai Refrigeranti
(RDM-AI04_25)
Dalla Ricerca al Quotidiano: Le Promettenti Applicazioni degli Elastocalorici
Il fenomeno elastocalorico, ovvero la capacità di alcuni materiali di variare la propria temperatura in risposta a stress meccanico, sta aprendo nuove frontiere nel campo del raffreddamento. Le pompe di calore basate su questo principio sfruttano le proprietà di materiali come il nitinol per offrire sistemi di climatizzazione più efficienti, silenziosi e rispettosi dell'ambiente. L'assenza di gas refrigeranti e la potenziale integrazione con fonti di energia rinnovabile rendono questa tecnologia particolarmente interessante per applicazioni future in diversi settori.
#nuovimateriali, #efficienzaenergetica
Introduzione
Con l'aumento delle temperature globali, la necessità di soluzioni di raffreddamento è destinata a salire alle stelle. L'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) stima che la domanda globale di energia per il raffreddamento degli spazi più che triplicherà nei prossimi 30 anni, rappresentando circa il 37% della crescita della domanda globale di elettricità entro il 2050. Le pompe di calore elastocaloriche sono una tecnologia innovativa che può ridurre drasticamente e di parecchie volte l'energia necessaria per il riscaldamento e il raffreddamento.
Il potenziale impatto delle pompe di calore elastocaloriche, in particolare nel contesto dell'aumento della domanda di aria fredda, è sostanziale. Uno studio del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti le classifica come l'alternativa più promettente ai sistemi attuali. Il cuore di questa tecnologia sono i materiali elastocalorici, che emettono calore quando sottoposti a stress meccanico e si raffreddano quando lo stress si allenta. Ciò consente loro di funzionare con un ciclo continuo di stress e rilassamento. Il vantaggio aggiuntivo delle pompe di calore elastocaloriche è che non si basano su gas refrigeranti, potenzialmente dannosi per l'ambiente. Invece, utilizzano metalli ampiamente disponibili come nichel e titanio.
Socialmente, questa tecnologia può migliorare l'accesso al raffreddamento in regioni con elettricità basata sulla rete limitata o assente, migliorando così la qualità della vita e affrontando un aspetto chiave dell'impatto del cambiamento climatico.
Lo sviluppo delle pompe di calore elastocaloriche comporta il superamento di alcuni grandi ostacoli. Queste pompe necessitano di materiali che possano resistere a milioni di cicli di allungamento e rilassamento senza rompersi, un processo che viene affrontato sperimentando diverse leghe metalliche e tecniche di produzione.
Inoltre, affinché queste pompe di calore diventino ampiamente disponibili, la produzione di questi materiali deve aumentare significativamente per allinearsi alla domanda in costante aumento di raffreddamento prevista di fronte al riscaldamento globale.
I materiali elastocalorici e il fenomeno elastocalorico
I materiali elastocalorici rappresentano una frontiera innovativa nella ricerca sui sistemi di raffreddamento e recupero energetico. Basati sul fenomeno elastocalorico, questi materiali generano variazioni di temperatura quando sottoposti a deformazione meccanica reversibile, offrendo un'alternativa promettente alle tecnologie tradizionali di raffreddamento basate sui gas refrigeranti, spesso dannosi per l'ambiente.
La necessità di soluzioni sostenibili e ad alta efficienza energetica ha portato i materiali elastocalorici al centro dell'attenzione scientifica e tecnologica. La loro capacità di operare attraverso processi in stato solido li rende ideali per applicazioni in cui la riduzione dell'impatto ambientale è cruciale, aprendo la strada a dispositivi più compatti e silenziosi.
L'effetto elastocalorico è un fenomeno termomeccanico complesso in cui un materiale subisce una variazione di temperatura a seguito di stress meccanico. Quando viene applicato uno stress meccanico a un materiale elastocalorico, tramite stiramento, compressione o piegatura, il materiale può assorbire calore dall'ambiente circostante (con conseguente raffreddamento) o rilasciare calore (con conseguente riscaldamento). Questo effetto si verifica principalmente a causa di una variazione dell'entropia del materiale . La variazione dell'entropia è spesso collegata a una transizione di fase o al riorientamento della struttura cristallina del materiale .
Ad esempio una lega a memoria di forma ( SMA ) è una lega che può essere deformata quando è fredda ma ritorna alla sua forma pre-deformata ("ricordata") quando è riscaldata. Questo effetto è strettamente connesso alla transizione di fase reversibile tra diverse strutture cristalline. Ad esempio, la transizione da austenite a martensite. Durante questa transizione, l'entropia del sistema cambia. Ciò è dovuto alla riorganizzazione degli atomi e ai cambiamenti nell'energia interna. La trasformazione da una fase austenitica ad alta simmetria a una fase martensitica a bassa simmetria può assorbire o rilasciare calore latente Un buon materiale elastocalorico deve presentare un grande calore latente, un grande cambiamento di temperatura adiabatica, una buona conduttività termica, una lunga durata a fatica e un basso costo.
I materiali elastocalorici sono diversi e includono una gamma di leghe a memoria di forma (SMA), che sono tra le più ampiamente studiate per le loro pronunciate proprietà di transizione di fase. Alcuni esempi sono:
- Leghe di nichel-titanio (NiTi): note per le loro eccellenti proprietà meccaniche e le significative variazioni di temperatura durante la trasformazione di fase austenite-martensite, le leghe NiTi sono materiali elastocalorici altamente efficienti.
- Leghe a base di rame: anche leghe come Cu-Zn-Al e Cu-Al-Ni hanno mostrato promettenti proprietà elastocaloriche, con l'ulteriore vantaggio di essere meno costose di NiTi.
- Leghe a base di ferro: questi materiali, tra cui Fe-Pd e Fe-Ni, offrono potenzialità per applicazioni elastocaloriche, soprattutto a temperature più basse.
- Elastomerie ceramiche : alcuni materiali polimerici e ceramiche presentano effetti elastocalorici dovuti a cambiamenti di entropia associati allo stiramento o alla flessione. Questi materiali possono fornire vantaggi unici, come flessibilità e peso inferiore.
Utilizzi Attuali e futuri
Attualmente, i materiali elastocalorici sono principalmente utilizzati in prototipi e progetti di ricerca, ma ci sono sviluppi promettenti
Raffreddamento Solid-State.
I materiali elastocalorici sono utilizzati in sistemi di raffreddamento, a livello di prototipi, che dovrebbero sostituire i tradizionali sistemi di refrigerazione basati su compressori e gas refrigeranti. Questi materiali possono essere utilizzati in piccoli dispositivi per il raffreddamento di componenti elettronici o sensori. I sistemi elastocalorici non richiedono l'uso di gas refrigeranti, come i CFC o HFC, che contribuiscono al riscaldamento globale e possono danneggiare lo strato di ozono. Questi sistemi promettono di essere altamente efficienti perché convertono direttamente l'energia meccanica in variazioni di temperatura, riducendo perdite energetiche che sono invece comuni nei sistemi tradizionali.
Climatizzazione su Piccola Scala
Anche se ancora in fase sperimentale, vengono applicati in sistemi di climatizzazione per spazi limitati o dispositivi portatili. Evitano l'utilizzo di parti mobili complesse e riducono la necessità di manutenzione, con un potenziale risparmio energetico
Strumenti di Laboratorio e Ricerca
Utilizzati per studiare nuovi metodi di raffreddamento ad alta efficienza e per caratterizzare fenomeni termodinamici nei materiali.
Lo sviluppo dei climatizzatori
Ricercatori dell'Università del Saarland e dell'Università di Hong Kong hanno sviluppato prototipi di climatizzatori basati su materiali elastocalorici.
La nuova tecnologia di climatizzazione sfrutta le proprietà di questi materiali che possono assorbire e rilasciare calore in risposta a stress meccanici. Questi elementi, come il Nitinol (nichel-titanio), sono in grado di ridurre significativamente il consumo energetico rispetto ai sistemi tradizionali, non richiedendo fluidi refrigeranti dannosi per l’ambiente
Questo significa che, oltre a essere più ecologici, i sistemi elastocalorici sono anche più economici da utilizzare, specialmente se combinati con energie rinnovabili come il fotovoltaico.
Il team dell’Università del Saarland ha sviluppato un prototipo di unità di climatizzazione per edifici residenziali, capace di riscaldare o raffreddare ogni stanza in modo indipendente. L’aria fresca viene distribuita attraverso strette fessure di ventilazione sulle pareti esterne, permettendo una gestione più efficiente e mirata della temperatura all’interno degli edifici
Scienziati sloveni stanno sviluppando questa tecnologia per dire addio ai refrigeranti tossici e inquinanti. L'innovazione, sviluppata all'Università di Lubiana, si basa sull'utilizzo di leghe metalliche, come il nitinol, un composto di nichel e titanio, che si raffredda sotto stress meccanico, offrendo un'alternativa sostenibile ai sistemi di raffreddamento tradizionali. Il progetto di ricerca europeo SUPERCOOL ha l’obiettivo di portare sul mercato un nuovo dispositivo elastocalorico altamente efficiente combinando strutture porose superelastiche, che agiranno come rigeneratori elastocalorici, e un meccanismo di azionamento efficiente che utilizza il recupero di forza.
Il progetto ha ricevuto finanziamenti dal Consiglio europeo dell’innovazione (EIC) attraverso il programma EIC Pathfinder, che supporta lo sviluppo di tecnologie innovative e dirompenti in Europa. La climatizzazione elastocalorica è stata inoltre riconosciuta come una delle “dieci tecnologie TOP 2024” dal Forum economico mondiale (WEF), sottolineando il suo potenziale rivoluzionario nel settore della climatizzazione.
Prospettive Future
Elettrodomestici e Climatizzazione Domestica Con ulteriori progressi, potrebbero essere usati in frigoriferi, condizionatori e sistemi HVAC per un raffreddamento ecologico, eliminando la necessità di gas nocivi per l'ambiente.
Veicoli Elettrici e Mobilità Sostenibile I materiali elastocalorici potrebbero migliorare i sistemi di gestione termica nelle batterie e nei motori di veicoli elettrici, contribuendo a una maggiore efficienza energetica.
Recupero Energetico Potrebbero essere utilizzati per convertire energie meccaniche inutilizzate in energia termica utile, ad esempio in ambiti industriali.
Dispositivi Medici Si ipotizza il loro utilizzo in tecnologie portatili per il controllo della temperatura corporea o per trattamenti termoterapici.
Elettronica Avanzata Applicazioni in dispositivi di raffreddamento per server, supercomputer o dispositivi elettronici di uso quotidiano per gestire il calore in modo più efficiente.
Articoli correlati