Fisica

Nov 09, 2023

I sistemi di refrigerazione che utilizzano materiali che si raffreddano in risposta a una forza elettrica, magnetica o meccanica applicata offrono alternative rispettose dell'ambiente a quelli che perdono gas serra presenti nella maggior parte delle case e delle fabbriche (vedi Articolo: All'inseguimento del raffreddamento del 21° secolo). Ora i ricercatori hanno dimostrato una versione economica e scalabile di uno di questi cosiddetti sistemi di “raffreddamento calorico” [1]. Il loro approccio, che utilizza un materiale che risponde a una forza meccanica, supera i record di prestazioni stabiliti da metodi che si basano sui campi magnetici. I ricercatori affermano che la loro tecnologia è anche molto meno costosa da produrre e da utilizzare e potrebbe essere pronta per l'uso commerciale entro un anno.

I sistemi di raffreddamento basati su magneti hanno avuto un primo successo nel 1998 con la dimostrazione di un sistema a temperatura prossima a quella ambiente che manteneva il suo contenuto freddo per 1500 ore [2]. In quel sistema, un campo magnetico veniva applicato a un materiale magnetocalorico, determinando un aumento della temperatura, poiché le vibrazioni atomiche compensavano l’entropia persa a causa degli spin spaiati nel materiale allineato. La disattivazione del campo ha invertito tale aumento, consentendo al materiale di agire come refrigerante che potrebbe essere utilizzato nelle serpentine di raffreddamento di un frigorifero domestico. Ma per indurre l’effetto magnetocalorico sono necessari campi magnetici forti (> 1 tesla), che possono essere forniti solo da costosi magneti permanenti che contengono leghe di terre rare.

Un approccio alternativo consiste nell'utilizzare un materiale elastocalorico. Un tale materiale subisce un cambiamento di temperatura indotto dall'entropia quando sottoposto a una forza meccanica sufficientemente grande da modificare parzialmente la fase del materiale. Nel 2012 Ichiro Takeuchi dell'Università del Maryland ha scoperto che, quando allungato, un filo disponibile in commercio realizzato in nichel e titanio (NiTi) subisce un tale cambiamento, con un aumento di temperatura abbastanza grande da essere percepito a mano. Successivamente ha scoperto che si verifica una diminuzione della temperatura durante la compressione dei tubi NiTi e ha quindi utilizzato l'effetto nel 2016 per sviluppare un primo sistema di raffreddamento elettrocalorico. "Abbiamo iniziato a realizzare sistemi [di raffreddamento a basso consumo] utilizzando tubi NiTi in modalità di compressione circa dieci anni fa", afferma Takeuchi.

Ora un team guidato da Takeuchi e Reinhard Radermacher dell’Università del Maryland ha portato il raffreddamento elastocalorico in prima linea nella corsa alla refrigerazione senza gas serra. Diverse sfide ingegneristiche si frapponevano tra la demo del 2016 e quella nuova, che ha migliorato il recupero dei fluidi, ridotto la perdita di calore dovuta all'attrito e fornito fasci di tubi più densi. Nel nuovo dispositivo, l’acqua, il fluido di scambio termico, scorre attraverso due fasci di tubi NiTi disponibili in commercio. I due fasci si collegano tramite un attuatore, che applica un carico a un fascio mentre scarica l'altro, creando così cicli di compressione che guidano la refrigerazione. Il sistema può funzionare in due diverse modalità, a seconda della quantità di acqua che scorre attraverso il sistema durante un ciclo. Una modalità ottimizza la potenza di raffreddamento, l'altra l'intervallo di temperatura. Il team ha dimostrato di poter raffreddare il sistema di 22,5 K, rispetto ai 4,7 K dello schema del 2016.

Tuttavia, i calcoli del team indicano che l'efficienza complessiva del sistema potrebbe essere migliorata di un fattore 6 utilizzando attuatori più efficienti. Inoltre, i ricercatori pensano che potrebbero migliorare l’efficienza sostituendo il NiTi con un noto materiale a base di rame che presenta un cambiamento di temperatura elastocalorico simile sotto uno stress minore. Tali materiali non sono attualmente disponibili in commercio, ma Takeuchi afferma di essere entusiasta di implementarli nei sistemi di raffreddamento a basso stress.

I dati di Takeuchi e del suo team "sono davvero impressionanti", afferma Kilian Bartholomé, che ricerca i convertitori di energia termica presso l'Istituto Fraunhofer per le tecniche di misurazione fisica in Germania. Sottolinea che quasi tutti i sistemi elastocalorici dimostrati utilizzano NiTi che non è stato né prodotto né ottimizzato per l'uso nei dispositivi di refrigerazione, il che significa che esiste ancora un "grande potenziale" per aumentare le prestazioni dei sistemi. Takeuchi ritiene che lui e i suoi colleghi saranno in grado di migliorare le prestazioni del loro sistema abbastanza da rendere la tecnologia commercialmente valida entro un anno. La prima applicazione che immagina: una cantinetta per vino compatta.