Alcuni ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia hanno sviluppato un nuovo metodo di riscaldamento e raffreddamento. La tecnica, denominata “raffreddamento ionocalorico”, è descritta in un articolo pubblicato il 23 dicembre sulla rivista Science.
Il raffreddamento ionocalorico sfrutta il modo in cui l’energia termica viene immagazzinata o rilasciata quando un materiale cambia fase, ad esempio passando dal ghiaccio all’acqua, dal solido al liquido. La fusione di un materiale assorbe calore dall’ambiente circostante, mentre la sua solidificazione rilascia calore. Il ciclo ionocalorico provoca questo cambiamento di fase e di temperatura attraverso un flusso di ioni (atomi o molecole elettricamente carichi) provenienti da un sale.
I ricercatori sperano che questo metodo possa un giorno fornire freddo e caldo in maniera efficiente e possa cosi contribuire a eliminare gli attuali sistemi a “compressione di vapore”, che utilizzano come refrigeranti gas con potenziale di riscaldamento globale. La refrigerazione ionocalorica eliminerebbe il rischio di fuoriuscita di tali gas nell’atmosfera, sostituendoli con componenti solidi e liquidi.
«Il panorama dei refrigeranti è un problema irrisolto: nessuno ha sviluppato con successo una soluzione alternativa che renda le cose fredde, funzioni in modo efficiente, vada sempre bene per ogni applicazione, sia sicura e non danneggi l’ambiente» ha dichiarato Drew Lilley, assistente di ricerca presso il Berkeley Lab e dottorando alla UC Berkeley che ha guidato lo studio. «Pensiamo che il ciclo ionocalorico abbia il potenziale per soddisfare tutti questi obiettivi, se realizzato in modo appropriato».
Trovare una soluzione che sostituisca gli attuali refrigeranti è essenziale per i Paesi che vogliono raggiungere gli obiettivi in materia di cambiamenti climatici, come quelli dell’Emendamento di Kigali (accettato da 145 parti, tra cui gli Stati Uniti, nell’ottobre 2022). Tale accordo impegna i firmatari a ridurre la produzione e il consumo di idrofluorocarburi (HFC) di almeno l’80% nei prossimi 25 anni. Gli HFC sono potenti gas a effetto serra comunemente utilizzati nei frigoriferi, nei chiller, negli impianti di condizionamento dell’aria e possono intrappolare il calore con un’efficacia migliaia di volte superiore a quella dell’anidride carbonica, causando effetto serra se rilasciati accidentalmente in aria.
Il nuovo ciclo ionocalorico si aggiunge a diversi altri tipi di raffreddamento “calorico” in fase di sviluppo. Queste tecniche utilizzano metodi diversi – tra cui magnetismo, pressione, allungamento e campi elettrici – per manipolare i materiali solidi in modo che assorbano o rilascino calore. Il raffreddamento ionocalorico si differenzia per l’utilizzo di ioni per guidare i cambiamenti di fase da solido a liquido. L’uso di un liquido ha l’ulteriore vantaggio di rendere il materiale pompabile, facilitando l’ingresso e l’uscita del calore dal sistema, cosa che il raffreddamento allo stato solido ha fino ad ora faticato a fare.
Lilley e il co-autore Ravi Prasher, ricercatore affiliato all’Area Tecnologie Energetiche del Berkeley Lab e professore aggiunto di ingegneria meccanica alla UC Berkeley, hanno esposto la teoria alla base del ciclo ionocalorico. Hanno calcolato che ha il potenziale per competere o addirittura superare l’efficienza dei refrigeranti gassosi presenti nella maggior parte dei sistemi attuali.
Hanno anche dimostrato sperimentalmente la tecnica. Lilley ha utilizzato un sale a base di iodio e sodio, insieme al carbonato di etilene, un comune solvente organico utilizzato nelle batterie agli ioni di litio.
«C’è il potenziale per avere refrigeranti che non sono solo GWP [potenziale di riscaldamento globale] zero, ma anche GWP-negativi» ha affermato Lilley. «L’uso di un materiale come il carbonato di etilene potrebbe essere effettivamente negativo per il carbonio, perché si produce utilizzando l’anidride carbonica come input. Questo potrebbe darci la possibilità di utilizzare la CO2 proveniente dalla cattura del carbonio»
Il passaggio di corrente attraverso il sistema sposta gli ioni, modificando il punto di fusione del materiale. Quando si scioglie, il materiale assorbe calore dall’ambiente circostante, mentre quando gli ioni vengono rimossi e il materiale si solidifica, restituisce calore. Il primo esperimento ha mostrato un cambiamento di temperatura di 25 gradi Celsius utilizzando meno di un volt, un aumento di temperatura maggiore di quello dimostrato da altre tecnologie caloriche.
«Ci sono tre cose che stiamo cercando di bilanciare: il GWP del refrigerante, l’efficienza energetica e il costo dell’apparecchiatura stessa» ha spiegaro Prasher. «Dal primo tentativo, i nostri dati sembrano molto promettenti su tutti e tre questi aspetti»
Sebbene i metodi calorici siano spesso discussi in termini di potenza frigorifera, i cicli possono essere sfruttati anche per applicazioni come il riscaldamento dell’acqua o il riscaldamento industriale. Il team sta continuando a lavorare su prototipi per determinare come la tecnica possa essere scalata per supportare grandi quantità di raffreddamento, migliorare la quantità di variazioni di temperatura che il sistema può supportare e migliorare l’efficienza.
«Abbiamo questo nuovo ciclo termodinamico e una struttura che riunisce elementi provenienti da diversi campi e abbiamo dimostrato che può funzionare» ha detto Prasher. «Ora è il momento della sperimentazione per testare diverse combinazioni di materiali e tecniche per affrontare le sfide ingegneristiche»
Lilley e Prasher hanno ottenuto un brevetto provvisorio per il ciclo di refrigerazione ionocalorica e la tecnologia è ora disponibile per la licenza. Maggiori informazioni QUI
I ricercatori sperano che il raffreddamento ionocalorico possa un giorno contribuire a sostituire i refrigeranti ad alto potenziale di riscaldamento globale e fornire un raffreddamento e un riscaldamento sicuri ed efficienti per le abitazioni.
