I ricercatori Karlsruhe Institute of Technology e dell’University di Tsukuba hanno sviluppato il primo sistema di raffreddamento elastocalorico al mondo alimentato a calore.
Gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell’University di Tsukuba, in Giappone, hanno sviluppato il primo sistema di raffreddamento elastocalorico al mondo che sfrutta il calore di scarto e l’energia solare, in modo da rendere il raffreddamento più sostenibile.
Il sistema di raffreddamento alimentato direttamente dal calore invece che da un motore elettrico ha funzionato nei test di laboratorio, offrendo una possibile soluzione per convertire il calore di scarto o l’energia solare in raffreddamento. Il prototipo usa due pellicole ultrasottili di nichel-titanio che convertono il calore prima in movimento meccanico e poi in freddo.
Il progetto risolve un limite del raffreddamento elastocalorico, un’alternativa emergente a stato solido alla refrigerazione convenzionale. Le leghe a memoria di forma si raffreddano quando viene rilasciato un carico meccanico applicato, ma i sistemi elastocalorici esistenti necessitano ancora di attuatori elettrici per fornire tale forza; il nuovo progetto usa il calore stesso per azionare il processo. Una differenza importante perché il raffreddamento e il riscaldamento rappresentano quasi la metà del consumo energetico globale, con una domanda in continua crescita. I frigoriferi, i condizionatori d’aria e i data center tradizionali si affidano da oltre un secolo a compressori elettrici che trasferiscono calore tramite refrigeranti, molti dei quali contribuiscono anche al riscaldamento globale.
Il calore sostituisce l’attuatore elettrico
Il sistema combina due pellicole di nichel-titanio con funzioni diverse. Quando viene riscaldata, la prima pellicola si contrae grazie a un effetto memoria di forma, convertendo l’energia termica direttamente in lavoro meccanico senza bisogno di un motore elettrico. Questo movimento agisce sulla seconda pellicola. Ripetuti cicli di carico e scarico provocano cambiamenti reversibili nella sua struttura cristallina che producono raffreddamento.
Di fatto, la prima pellicola sostituisce l’attuatore elettrico richiesto in precedenza dai sistemi elastocalorici: “L’innovazione cruciale consiste nel combinare due funzioni complementari delle leghe a memoria di forma: una pellicola converte il calore in lavoro meccanico e l’altra converte questo lavoro in freddo. In questo modo, stiamo definendo un nuovo approccio per il raffreddamento a stato solido, aprendo così interessanti possibilità per l’utilizzo del calore di scarto e dell’energia solare” spiega Jingyuan Xu, responsabile del Gruppo Giovani Ricercatori del Laboratorio Termico ZEco presso l’Istituto di Tecnologia delle Microstrutture (IMT) del KIT.
I risultati del prototipo
Negli esperimenti del KIT e dell’University di Tsukuba, il prototipo ha prodotto un raffreddamento misurabile. A una temperatura dell’attuatore di 86 °C (187 °F), ha raggiunto una differenza di temperatura di 4 °C a livello del componente, mentre il refrigerante elastocalorico ha subito una variazione di temperatura di quasi 13 °C. Il sistema ha funzionato in modo affidabile anche utilizzando una fonte di calore esterna a 130 °C (266 °F), dimostrando che il concetto può funzionare con fonti di calore reali: “Il momento decisivo per noi è stato quando siamo stati in grado di misurare il freddo effettivamente generato da un sistema azionato dal calore. Questo ci ha dimostrato che il principio non funziona solo in teoria” racconta Yi-Ting Hsiau, autore principale dello studio e dottorando presso l’IMT.
Il dispositivo attuale è stato costruito per dimostrare la fattibilità piuttosto che per massimizzare la capacità di raffreddamento. I ricercatori stanno ora lavorando per collegare più pellicole in parallelo al fine di aumentare la quantità di raffreddamento che il sistema può fornire. Tra le possibili applicazioni figurano i processori dei computer che utilizzano il proprio calore di scarto per generare raffreddamento e i componenti elettronici sensibili delle automobili raffreddati utilizzando il calore proveniente dalla trasmissione.
Il team del arlsruhe Institute of Technology e dell’University di Tsukuba spera in definitiva di ampliare l’approccio in sistemi compatti in grado di utilizzare il calore facilmente disponibile: “Ampliando questa tecnologia, vogliamo sviluppare sistemi di raffreddamento compatti che sfruttino le fonti di calore ampiamente disponibili per un raffreddamento sostenibile” conclude Xu.
Foto: Concept by Yi-Ting Hsiau and Jingyuan Xu, KIT; visual design by Ella Maru Studio
