Ricercatori statunitensi hanno sviluppato nuovi materiali termoelettrici che potrebbero trasformare i dispositivi di raffreddamento. C’è voluto un po’, ma il caldo è finalmente arrivato. La maggior parte della popolazione continua ad affidarsi ai condizionatori per sopportare le alte temperature, anche se il loro elevato consumo e l’uso di sostanze chimiche inquinanti rappresentano una minaccia per il portafoglio e per l’ambiente.
Climatizzazione rivoluzionaria: il nuovo sistema termoelettrico che raddoppia l’efficienza energetica
Ma non tutto è perduto: alcuni ricercatori statunitensi hanno compiuto un nuovo passo avanti che potrebbe rivoluzionare i sistemi di climatizzazione, grazie a una nuova tecnologia di raffreddamento termoelettrico due volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi attuali.
Un team dell’Applied Physics Laboratory (APL) della Johns Hopkins University (Maryland, USA) ha sviluppato materiali che superano significativamente la capacità dei sistemi termoelettrici commerciali esistenti, come rivelato in uno studio pubblicato su Nature Communications.
La chiave di questa nuova tecnologia risiede nelle cosiddette strutture superreti a ingegneria gerarchica controllata (CHESS, acronimo inglese), destinate a segnare una pietra miliare nello sviluppo di alternative scalabili alla refrigerazione tradizionale basata su compressori.
“Questa dimostrazione reale di raffreddamento con nuovi materiali termoelettrici evidenzia le capacità dei film sottili di nanoingegneria del CHESS”, ha affermato Rama Venkatasubramanian, ricercatore principale del progetto, in un comunicato stampa.
Efficienza senza precedenti
I condizionatori d’aria convenzionali funzionano mediante un ciclo di refrigerazione a compressione di vapore che utilizza un refrigerante chimico. Il compressore pompa il refrigerante attraverso un circuito chiuso, comprimendolo fino a trasformarlo in gas caldo ad alta pressione che passa poi al condensatore esterno, rilasciando calore nell’ambiente.
Il refrigerante liquido passa quindi attraverso una valvola di espansione che ne riduce drasticamente la pressione, raffreddandolo notevolmente prima che entri nell’evaporatore interno. Qui, il refrigerante assorbe il calore dall’aria ambiente evaporando nuovamente, mentre un ventilatore distribuisce l’aria raffreddata nello spazio.
Questo ciclo continuo di compressione, condensazione, espansione ed evaporazione richiede componenti meccanici come compressori, ventilatori e pompe che consumano energia e generano rumore, oltre ad essere ingombranti.
Al contrario, i materiali sviluppati nel corso di un decennio dai ricercatori dell’APL raffreddano in modo rapido ed efficiente utilizzando elettroni per trasportare il calore attraverso materiali semiconduttori specializzati, senza bisogno di parti mobili.
Pertanto, i nuovi sistemi di raffreddamento progettati sulla base della tecnologia CHESS saranno molto più “silenziosi, compatti, affidabili e sostenibili” rispetto a quelli convenzionali, poiché non dipenderanno da refrigeranti chimici che possono essere dannosi per l’ambiente.
Storicamente, i materiali termoelettrici erano limitati a dispositivi di piccole dimensioni come i frigoriferi portatili. La loro efficienza limitata e l’incompatibilità con la produzione su larga scala impedivano altri tipi di applicazioni ad alte prestazioni.
Fino ad ora. La tecnologia CHESS supera questi limiti grazie alla progettazione di film sottili che aprono la possibilità di una produzione di massa.
Per ottenere questi sottili strati di materiali CHESS, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di deposizione chimica da vapore organometallico (MOCVD), un processo comunemente utilizzato nella produzione di luci a LED e celle fotovoltaiche per pannelli solari.
La novità in questo caso è che gli ingegneri dell’APL hanno avuto bisogno solo di 0,003 centimetri cubi di materiale per unità di raffreddamento, circa le dimensioni di un granello di sabbia, il che facilita la produzione di massa e prezzi ragionevoli.
I risultati ottenuti hanno dimostrato miglioramenti sostanziali nelle prestazioni di raffreddamento rispetto alle tecnologie convenzionali. I materiali CHESS hanno raggiunto “quasi il 100% di efficienza in più rispetto ai materiali termoelettrici tradizionali a temperatura ambiente”.
Questo miglioramento si è tradotto in un aumento del 75% dell’efficienza a livello di dispositivo e del 70% nei sistemi di raffreddamento completamente integrati.
Processo di convalida
Per verificare i risultati ottenuti, i ricercatori dell’APL avevano bisogno di un processo di validazione rigoroso. A tal fine, hanno collaborato con Samsung Electronics, che ha sviluppato un protocollo completo attraverso una modellazione termica dettagliata, quantificando i carichi e i parametri di resistenza termica.
I test hanno riprodotto in laboratorio le condizioni operative dei dispositivi in un contesto reale, al fine di garantire che i miglioramenti fossero riproducibili in ambienti commerciali.
Gli esperimenti sono stati condotti a una temperatura di 25 °C e in condizioni tipiche per la maggior parte delle applicazioni di climatizzazione sia in edifici residenziali che commerciali.
Grazie a questi risultati verificati, la tecnologia potrebbe servire a diversi scopi, “dall’alimentazione di sistemi di raffreddamento su piccola scala al supporto di applicazioni di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione in grandi edifici”, secondo Venkatasubramanian.
Per dimostrarne il potenziale, l’autore principale dello studio confronta la sua versatilità con quella delle batterie agli ioni di litio. Le sue prime applicazioni erano limitate a piccoli dispositivi, come lettori mp3 o telefoni cellulari, ma ora sono già utilizzate per alimentare automobili, barche e persino aerei.
I nuovi materiali, inoltre, “sono in grado di convertire le differenze di temperatura, come il calore corporeo, in energia utilizzabile”, afferma Jeff Maranchi, direttore dell’Area Programmi di Esplorazione dell’Area Missione Ricerca e Sviluppo Esplorativo dell’APL.
In questo modo, la loro gamma di possibili applicazioni si amplia ulteriormente e potrebbero essere utilizzati nella “prossima generazione di sistemi tattili, protesi e interfacce uomo-macchina”.
Maranchi è convinto che il nuovo materiale “apra la strada a tecnologie scalabili di acquisizione di energia per applicazioni che vanno dai computer alle navi spaziali, capacità che non erano realizzabili con i dispositivi termoelettrici più vecchi e ingombranti”, conclude.
