Modificando un frigorifero comunemente utilizzato sia nella ricerca che nell’industria, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ridotto drasticamente il tempo e l’energia necessari per raffreddare i materiali fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto. Gli scienziati affermano che il loro prototipo di dispositivo, che stanno mettendo a punto per commercializzarlo con un partner industriale, potrebbe far risparmiare annualmente circa 27 milioni di watt di energia, 30 milioni di dollari nel consumo globale di elettricità e abbastanza acqua di raffreddamento per riempire 5mila piscine olimpiche.
Dalla stabilizzazione dei qubit (l’unità di base delle informazioni in un computer quantistico) al mantenimento delle proprietà superconduttrici dei materiali e al mantenimento della temperatura del telescopio spaziale James Webb della NASA da poter osservare i cieli, la refrigerazione ultra-fredda è essenziale per il funzionamento di molti dispositivi e sensori. Per decenni, il frigorifero a tubo a impulsi (PTR) è stato il dispositivo più utilizzato per raggiungere temperature fredde quanto quello dello spazio interstellare.
Questi frigoriferi comprimono (riscaldano) ed espandono (raffreddano) ciclicamente il gas elio ad alta pressione per ottenere il “Grande Freddo”, in modo sostanzialmente analogo a quello di un frigorifero domestico. Seppure storicamente affidabile, il PTR, è anche assetato di energia, consumando più elettricità di qualsiasi altro componente di un esperimento a temperatura estremamente bassa.
Gli scienziati del NIST hanno scoperto che il dispositivo è stato pensato per essere efficiente dal punto di vista energetico solo alla temperatura operativa finale di -269 °C, mentre è estremamente inefficiente a temperature più elevate.
Durante una serie di esperimenti, il team ha compreso che a temperatura ambiente, il gas elio era sotto una pressione così elevata che una parte di esso veniva deviato attraverso una valvola di sicurezza invece di essere utilizzato per raffreddamento. Modificando le connessioni meccaniche tra il compressore e il frigorifero, il team ha assicurato che l’elio non venisse sprecato, migliorando notevolmente l’efficienza del frigorifero.
In particolare, i ricercatori hanno regolato continuamente una serie di valvole che controllano la quantità di gas elio che fluisce dal compressore al frigorifero. Hanno scoperto che se permettessero alle valvole di avere un’apertura più grande a temperatura ambiente e poi le chiudessero gradualmente man mano che il raffreddamento procede, potrebbero ridurre il tempo di raffreddamento da metà a un quarto di quello attuale.
La tecnologia sviluppata dal team del NIST potrebbe anche consentire agli scienziati di sostituire i grandi frigoriferi con tubi a impulsi con altri molto più piccoli, richiedendo meno infrastrutture di supporto.
La necessità di questi frigoriferi si espanderà notevolmente man mano che la ricerca sull’informatica quantistica crescerà.
