Riassunto:
Nella struttura globale del consumo energetico, la domanda di riscaldamento e raffreddamento rappresenta quasi la metà del consumo energetico e tale domanda continua ad aumentare. Per più di un secolo, i frigoriferi, i condizionatori d'aria e i sistemi di raffreddamento dei data center tradizionali hanno fatto affidamento quasi esclusivamente su compressori elettrici e flussi di refrigerante per trasferire il calore. Molti refrigeranti tradizionali sono anche gas serra che contribuiscono al riscaldamento globale.
Oggi, un gruppo di ricerca del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germania e dell'Università di Tsukuba in Giappone ha compiuto un importante passo avanti e sviluppato con successo il primo prototipo al mondo di un sistema di refrigerazione a stato solido alimentato interamente da energia termica, realizzando un nuovo percorso tecnico che elimina i motori elettrici e converte direttamente il calore di scarto o l'energia solare in energia fredda.
Questo sistema supera il principale collo di bottiglia del "Elastocaloric Cooling", una tecnologia di refrigerazione a stato solido all'avanguardia. Come alternativa promettente alla tradizionale refrigerazione a compressione, le leghe a memoria di forma si raffreddano quando il carico meccanico applicato viene rilasciato; tuttavia, prima di ciò, i sistemi di refrigerazione elastomerici esistenti si affidavano ancora ad attuatori elettrici per fornire forza meccanica esterna, il che impediva alla tecnologia di utilizzare direttamente il calore di scarto facilmente disponibile o l’energia solare proveniente dall’ambiente circostante.
Il nuovo design del team congiunto rivoluziona questo meccanismo di alimentazione, sostituendo gli attuatori elettrici tradizionali con la stessa "energia termica". Il nucleo del sistema risiede nell'ingegnosa combinazione di due film ultrasottili in lega di nichel-titanio a memoria di forma con diverse divisioni del lavoro: il primo film agisce come un attuatore termico, restringendosi utilizzando l'effetto memoria di forma quando riscaldato e convertendo direttamente l'energia termica in lavoro meccanico senza la necessità di un motore; questo moto di spostamento agisce poi sul secondo film che svolge un ruolo di refrigerazione. Caricandolo e scaricandolo periodicamente, innesca cambiamenti reversibili nella struttura cristallina del materiale, generando così continuamente energia fredda.
Il progetto di ricerca è guidato dal dottor Jingyuan Xu, capo del giovane gruppo di ricerca del laboratorio ZEco Thermal Energy del KIT Institute of Microstructure Technology (IMT). Ha sottolineato che l’innovazione chiave di questa svolta è quella di combinare due funzioni complementari della lega a memoria di forma: un film è responsabile della conversione dell’energia termica in lavoro meccanico e l’altro film converte il lavoro meccanico in energia fredda. Questo progetto stabilisce un nuovo paradigma di azionamento della refrigerazione a stato solido, aprendo possibilità promettenti per un utilizzo efficiente del calore di scarto e dell’energia solare.
I dati sperimentali mostrano che il prototipo del dispositivo ha dimostrato con successo effetti di raffreddamento misurabili nei test di laboratorio. Quando l'attuatore si trova ad una temperatura di 86 gradi Celsius, si ottiene una differenza di temperatura di 4 gradi Celsius a livello dell'intero componente, mentre la variazione di temperatura del refrigerante elastico stesso è vicina a 13 gradi Celsius. Inoltre, i ricercatori hanno introdotto una fonte di calore esterna di 130 gradi Celsius per testarla, e il sistema ha anche mantenuto un funzionamento stabile e affidabile, dimostrando pienamente la fattibilità della tecnologia per abbinare la fonte di calore in un ambiente industriale reale. Yi-Ting Hsiau, il primo autore dell'articolo e ricercatore di dottorato presso il KIT, ha affermato che poter misurare con i propri occhi l'energia fredda effettivamente prodotta dal sistema di azionamento termico è un momento molto decisivo, il che conferma che il principio teorico non è affatto solo un pezzo di carta.
Il prototipo del dispositivo attualmente prodotto viene utilizzato principalmente per la verifica concettuale e la dimostrazione di fattibilità e non è stato ancora ottimizzato per la massima capacità di raffreddamento. Il gruppo di ricerca sta attualmente cercando di aumentare in modo esponenziale la capacità di raffreddamento complessiva del sistema estendendo più strati di pellicole in parallelo. Man mano che la tecnologia matura e diventa miniaturizzata, i suoi futuri scenari applicativi sono molto ampi: i processori dei computer o le unità server possono "utilizzare il calore di scarto che emettono per raffreddarsi". Il calore disperso generato dal gruppo propulsore automobilistico può anche essere convertito direttamente in una fonte di energia di raffreddamento per componenti elettronici automobilistici sensibili. Il gruppo di ricerca scientifica ha affermato che questo risultato è solo l’inizio. In futuro, con l’espansione del sistema e l’implementazione di un design compatto, si prevede che l’enorme quantità di calore di scarto ambientale che può essere visto ovunque verrà convertito in risorse di refrigerazione verdi e sostenibili.
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