Innovazione: un nuovo materiale per raffrescare senza energia

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Un team di ingegneri dell’Università di Colorado Boulder ha messo a punto un cosidetto „metamateriale“ – un materiale ingegnerizzato con straordinarie proprietà che non si trovano in natura – che agisce come una sorta di sistema di aria condizionata per le strutture. Ha la capacità di raffreddare gli oggetti anche sotto la luce solare diretta con energia e consumo di acqua nullo. Quando viene applicato a una superficie, il film in metamateriale raffredda l’oggetto sottostante riflettendo efficiente l’energia solare nello spazio e consentendo allo stesso tempo alla superficie di rigettare il proprio calore sotto forma di radiazione termica infrarossa.

Il nuovo materiale, descritto anche sulla rivista Science, potrebbe fornire un mezzo eco-compatibile di raffreddamento supplementare per centrali termoelettriche, che attualmente richiedono grandi quantità di acqua e di energia elettrica per mantenere le temperature di esercizio del loro macchinari.

Il materiale in vetro-polimero ha uno spessore di soli 50 micrometri – un po’ più spesso del foglio di alluminio che si usa in cucina – e puo’ essere fabbricato economicamente su rotoli, il che lo rende una tecnologia scalabile, potenzialmente valida sia per applicazioni residenziali e commerciali.

«Riteniamo che questo processo di fabbricazione a basso costo trasformerà le applicazioni del mondo reale» ha affermato Xiaobo Yin, co-direttore della ricerca e professore assistente con doppio incarico sia al Dipartimento di Ingegneria Meccanica all’Università di Colorado Boulder che al programma di Ingegneria della Scienza dei Materiali.

Il materiale sfrutta il raffreddamento radiativo passivo, il processo mediante il quale gli oggetti naturalmente emettono calore sotto forma di radiazione infrarossa, senza consumare energia. La radiazione termica fornisce un certo raffreddamento notturno naturale e viene utilizzato per il raffreddamento residenziale in alcune aree, ma il raffreddamento diurno è stato storicamente una sfida maggiore. Per una struttura esposta ai raggi solari, anche una piccola quantità di energia solare direttamente-assorbita è sufficiente per ostacolare la radiazioni passiva.

La sfida per i ricercatori dell’Università di Colorado Boulder, quindi, è stata quella di creare un materiale che potrebbe fornire due piccioni con una fava: riflettere eventuali raggi solari in entrata nell’atmosfera pur fornendo una via di fuga per la radiazione infrarossa. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno incorporato microsfere che riflettono la luce visibile ma irradiano infrarosso in un film polimerico. Hanno poi aggiunto uno strato di argento sottile al fine di ottenere la massima riflettanza spettrale. «Sia la formazione metamateriale vetro-polimero che il rivestimento d’argento sono realizzati in scala » ha affermato Ronggui Yang, anch’egli professore di ingegneria meccanica e Fellow della American Society of Mechanical Engineers.

«Anche solo tra i 10 e i 20 m2 di questo materiale sul tetto potrebbero ben raffreddare una casa unifamiliare in estate» afferma Gang Tan, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile della facoltà di Ingegneria architettonica dell’Università dello Wyoming e un co-autore dell’articolo.

Oltre ad essere utile per il raffreddamento di edifici e centrali elettriche, il materiale potrebbe anche contribuire a migliorare l’efficienza e la durata dei pannelli solari. Sotto la luce diretta del sole, infatti, i pannelli possono surriscaldarsi a temperature che ostacolano la loro capacità di convertire i raggi solari in energia elettrica. «Proprio applicando questo materiale alla superficie di un pannello solare, possiamo raffreddare il pannello e recuperare un ulteriore due per cento di efficienza solare» ha affermato Yin. «Il chhe fa una grande differenza su larga scala».

Gli ingegneri hanno fatto domanda per un brevetto per la tecnologia e stanno lavorando con il Technology Transfer Office dell’Università di Colorado Boulder per esplorare potenziali applicazioni commerciali. Hanno in programma di creare un prototipo di “fattoria del freddo” di 200m2 nel 2017. «Il vantaggio principale di questa tecnologia è che funziona 24h/7g senza utilizzo di energia elettrica o acqua» ha affermato Yang. «Siamo entusiasti di avere l’opportunità di esplorare possibilità di utilizzo nel settore energetico, aerospaziale, l’agricoltura e altro ancora».

L’invenzione è il risultato di un finanziamento di 3 milioni di $ concesso nel 2015 a Yang, Yin e Tang dal Dipartimento dell’Energia Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). Co-autori della nuova ricerca includono Yao Zhai, Yaoguang Ma e Dongliang Zhao di Dipartimento di Ingegneria Meccanica del CU Boulder; Sabrina David del programma Scienza dei Materiali e Ingegneria del CU; Runnan Lou del Dipartimento Ann e H.J. Smead di Ingegneria Aerospaziale Scienze.

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