Condizionamento con materiale barocalorico? Un prototipo presentato da Harvard

Il prototipo presentato dal Gruppo di Harvard

Recentemente un gruppo di ricercatori dell’Università di Harvard ha presentato un prototipo di dispositivo che un giorno potrebbe sostituire gli attuali “A/C”. È molto più ecologico e utilizza refrigeranti solidi per raffreddare efficacemente uno spazio.

Il prototipo è stato presentato all’incontro autunnale dell’American Chemical Society (ACS) tenutosi dal 21 al 25 agosto.

«Il solo fatto di installare un condizionatore d’aria o di gettarlo via è un enorme fattore di riscaldamento globale» spiega Adam Slavney, Ph.D., che presenterà questo lavoro al meeting. I gas refrigeranti utilizzati in questi sistemi sono migliaia di volte più potenti dell’anidride carbonica e possono accidentalmente fuoriuscire dai sistemi quando vengono maneggiati o smaltiti.

I refrigeranti solidi potrebbero essere invece la soluzione ideale. A differenza dei gas, i solidi non si disperdono nell’ambiente dalle unità di condizionamento. Una classe di refrigeranti solidi, chiamati materiali barocalorici, funziona in modo simile ai tradizionali sistemi di raffreddamento gas-liquido.

Utilizzano variazioni di pressione per effettuare cicli di calore, ma in questo caso la pressione determina un cambiamento di fase da solido a solido. Ciò significa che il materiale rimane solido, ma la struttura molecolare interna cambia. L’aspetto strutturale chiave di questi materiali solidi barocalorici è che contengono catene molecolari lunghe e flessibili, tipicamente deboli e disordinate. Ma sotto pressione, le catene diventano più ordinate e rigide – un cambiamento che rilascia calore. Il processo di passaggio da una struttura ordinata a una rilassata è come la fusione della cera, ma senza che questa diventi liquida, spiega Jarad Mason, Ph.D., ricercatore principale del progetto. Quando la pressione viene rilasciata, il materiale riassorbe il calore, completando il ciclo.

Uno svantaggio dei sistemi barocalorici, tuttavia, è che la maggior parte di questi materiali richiede pressioni elevate per attivare i cicli di calore. Per produrre queste pressioni, i sistemi necessitano di apparecchiature specializzate e costose, poco pratiche per le applicazioni di raffreddamento del mondo reale. Mason e il suo team hanno recentemente presentato materiali barocalorici che possono agire come refrigeranti a pressioni molto più basse. Ora hanno dimostrato che i refrigeranti, chiamati perovskiti di alogenuri metallici, possono funzionare in un sistema di raffreddamento che hanno costruito da zero. «I materiali che abbiamo testato sono in grado di funzionare a circa 3.000 psi, che sono pressioni a cui può lavorare un tipico sistema idraulico».

Il team ha ora costruito un prototipo unico nel suo genere che dimostra l’uso di questi nuovi materiali in un sistema di raffreddamento pratico. Il dispositivo è composto da tre parti principali. Una è costituita da un tubo metallico contenente il refrigerante solido e un liquido inerte, acqua o olio. Un altro pezzo del dispositivo è un pistone idraulico che applica una pressione al liquido. Infine, il liquido contribuisce a trasferire la pressione al refrigerante e a trasportare il calore attraverso il sistema.

Dopo aver risolto diverse sfide ingegneristiche, il team ha dimostrato che i materiali barocalorici funzionano come refrigeranti funzionali, trasformando le variazioni di pressione in cicli completi di cambiamento di temperatura. «Il nostro sistema non utilizza ancora pressioni così basse come quelle dei sistemi di refrigerazione commerciale, ma ci stiamo avvicinando» afferma Mason. Per quanto ne sa il team, questo è il primo sistema di raffreddamento funzionante che utilizza refrigeranti allo stato solido e che si basa su variazioni di pressione.

Con il dispositivo ora in mano, il team intende testare una varietà di materiali barocalorici. «Speriamo di usare questa macchina come banco di prova per aiutarci a trovare materiali ancora migliori» dice il ricercatore Slavney, tra cui quelli che funzionano a pressioni più basse e che conducono meglio il calore. Con un materiale ottimale, i ricercatori ritengono che i refrigeranti allo stato solido potrebbero diventare un valido sostituto dell’attuale aria condizionata e di altre tecnologie di raffreddamento.

I ricercatori hanno il sostegno e il finanziamento del Centro di ricerca e ingegneria per la scienza dei materiali dell’Università di Harvard, dell’Harvard Climate Change Solutions Fund e della Arnold and Mabel Beckman Foundation.