Mentre le temperature globali continuano ad aumentare a un ritmo pericoloso, aumenta anche il numero di unità di aria condizionata in uso. I ricercatori del Center for Environmental Energy Engineering dell’Università del Maryland lavorano da anni a progetti finanziati dal Dipartimento dell’Energia per implementare tecnologie che potrebbero essere la soluzione per rendere queste macchine più efficienti ed ecologiche man mano che la dipendenza da esse aumenta.
Per decenni, i condizionatori d’aria hanno utilizzato sostanze chimiche note come idrofluorocarburi (HFC), gas serra altamente potenti con un elevato potenziale di riscaldamento globale, come agenti di raffreddamento. Trovare un refrigerante alternativo è stata una delle massime priorità per i ricercatori di tutto il mondo e il ritmo del loro lavoro è aumentato dopo l’approvazione dell’AIM Act nel 2020 e la ratifica da parte del Senato dell’emendamento di Kigali nel 2022, entrambi i quali richiedono una riduzione graduale degli HFC.
Un’alternativa promettente nota come raffreddamento elastocalorico è emersa da una partnership tra i team del dott. Reinhard Radermacher, professore di ingegneria meccanica e direttore del CEEE, e del dott. Ichiro Takeuchi, professore e presidente ad interim del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l’UMD. Takeuchi aveva lavorato con un collega nei primi anni 2000 con l’idea di utilizzare leghe di nichel-titanio per stent medici, ma alla fine hanno cambiato direzione quando si sono resi conto che il materiale aveva altre potenzialità: mentre sperimentavano con fili di nichel-titanio, hanno scoperto che potevano creare un effetto di raffreddamento tangibile allungandolo e rilasciandolo.
Per cogliere questa possibilità, hanno fatto domanda di finanziamento all’Advanced Research Projects Agency – Energy, una suddivisione del Dipartimento dell’Energia, ed è allora che Radermacher ha contattato Takeuchi e gli ha chiesto di unire la sua competenza nei materiali con quella della CEEE in materia di raffreddamento.
Il CEEE, fondato nel 1991 da Radermacher e altri membri della facoltà, è un centro di ricerca dedicato a trovare modi per rendere la conversione energetica più responsabile dal punto di vista ambientale, con gran parte della loro ricerca focalizzata in particolare sull’efficienza delle pompe di calore. Il centro ha in genere più di una dozzina di progetti in corso in un dato momento, gestiti da un team di membri della facoltà e studenti laureati.
“L’obiettivo era di avere un braccio di ricerca che svolgesse il lavoro vicino alle esigenze del settore in modo che l’output avesse benefici a breve termine e supportasse gli studenti nell’esperienza di formazione pertinente al settore con una transizione fluida ed efficace al lavoro”, ha affermato Radermacher. Hanno dato importanti contributi al campo, come lo sviluppo di software di progettazione dell’aria condizionata con l’obiettivo di ottenere le migliori prestazioni pur rimanendo relativamente poco costoso, utilizzato dai produttori in tutto il mondo. Le persone affiliate al centro hanno pubblicato centinaia di articoli accademici relativi ai risultati delle loro ricerche.
“Il motivo per cui siamo stati un attore importante per molto tempo, e lo siamo ancora, è dovuto a questa collaborazione tra la nostra competenza sui materiali e la competenza ingegneristica e la tecnologia HVAC del centro di Reinhard. È davvero un matrimonio perfetto tra i due”, ha affermato Takeuchi.
Da questo matrimonio è nata una tecnica nota come raffreddamento elastocalorico, che prevede l’applicazione di stress meccanico a leghe a memoria di forma superelastiche come le leghe di nichel e titanio. Il metallo rilascia una grande quantità di calore quando viene applicata questa tensione e può assorbirla quando la tensione viene rilasciata, creando così un effetto di raffreddamento. Sebbene la lega non abbia un effetto di raffreddamento così forte come gli HFC, è un’alternativa promettente poiché i metalli sono più stabili del gas e sia il nichel che il titanio sono naturali, il che significa che non sono dannosi per l’ambiente, secondo Takeuchi.
Oltre al team di Takeuchi, Radermacher attribuisce gran parte del loro successo ai finanziamenti del DOE. Lo scorso autunno, il centro ha ricevuto 5 milioni di $ per supportare tre diversi progetti relativi alla tecnologia degli scambiatori di calore e delle pompe di calore. Senza questo tipo di finanziamento, Radermacher ha affermato che sarebbe “estremamente difficile fare progressi significativi” nella loro ricerca sul raffreddamento elastocalorico, considerando quanto il loro lavoro sia diverso dalle tecniche di raffreddamento esistenti.
“Nel nostro caso, vogliamo comprimere il metallo”, ha detto Radermacher. “Pensa a un fascio di tubi metallici e ora li comprimi in modo che diventino un po’ più corti. Devi farlo in un dispositivo in cui puoi estrarre il calore o il freddo dai tubi mentre sono ancora compressi. Questo non viene fatto di solito, quindi ci vuole un po’ di creatività per ottenere l’effetto di riscaldamento e raffreddamento da quel materiale”.
Sebbene Radermacher e Takeuchi siano i ricercatori originali che lavorano su questa tecnologia, il concetto sta guadagnando terreno in tutto il mondo, portando a una sana competizione tra vari laboratori. Gli elastocalorici sono stati inseriti nell’elenco delle 10 migliori tecnologie emergenti del 2024 del World Economic Forum.
Alla CEEE, l’obiettivo finale di questo progetto è creare un sistema di raffreddamento che non implichi un fluido che rilasci nulla nell’atmosfera. Nel frattempo, i ricercatori vorrebbero concentrarsi sulla creazione di un sistema che abbia una capacità di raffreddamento significativa, che sia conveniente, non troppo pesante e funzioni in modo efficiente. Takeuchi ha affermato che nei prossimi due anni, può immaginare piccoli frigoriferi e refrigeratori per vino come le prime applicazioni di questo raffreddamento elastocalorico, poiché i dispositivi attuali sono adatti per un’applicazione di refrigerazione su scala più piccola.
“In tutta la tecnologia calorica, c’è una chiara tendenza”, ha detto Takeuchi. “Stiamo raggiungendo un plateau nella densità energetica, il che è un’indicazione che abbiamo raggiunto un punto in cui la tecnologia è maturata abbastanza che ora tutto ciò che dobbiamo fare è aumentare la scala, e poi dovremmo essere in grado di iniziare a realizzare applicazioni reali”.
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