Il sistema fornisce raffreddamento senza elettricità
Immagina un dispositivo in grado di sedersi fuori sotto la luce del sole in una giornata limpida, e senza usare alcun potere raffreddare le cose di oltre 23 gradi Fahrenheit (13 gradi Celsius). Sembra quasi magico, ma un nuovo sistema progettato dai ricercatori del MIT e in Cile può fare esattamente questo.
Il dispositivo, che non ha parti mobili, funziona con un processo chiamato raffreddamento radiativo. Blocca la luce solare in arrivo per evitare di riscaldarla e allo stesso tempo irradia in modo efficiente la luce infrarossa, che è essenzialmente calore, che passa direttamente nel cielo e nello spazio, raffreddando il dispositivo in modo significativo al di sotto della temperatura dell’aria ambiente.
La chiave per il funzionamento di questo sistema semplice ed economico è un tipo speciale di isolamento, realizzato con una schiuma di polietilene chiamata aerogel. Questo materiale leggero, che assomiglia un po’ al marshmallow, blocca e riflette i raggi visibili della luce solare in modo che non penetrino attraverso di esso. Ma è altamente trasparente ai raggi infrarossi che trasportano calore, permettendo loro di passare liberamente verso l’esterno.
Il nuovo sistema è descritto oggi in un articolo sulla rivista Science Advances , dalla studentessa laureata del MIT Arny Leroy, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, e altri sette al MIT e alla Pontificia Università Cattolica del Cile.
Un tale sistema potrebbe essere utilizzato, ad esempio, come modo per evitare che la frutta e la verdura si rovinino, raddoppiando potenzialmente il tempo in cui i prodotti potrebbero rimanere freschi, in luoghi remoti dove non è disponibile energia affidabile per la refrigerazione, spiega Leroy.
Riduzione al minimo del guadagno di calore
Il raffreddamento radiativo è semplicemente il processo principale utilizzato dalla maggior parte degli oggetti caldi per raffreddarsi. Emettono radiazioni infrarosse di medio raggio, che trasportano l’energia termica dall’oggetto direttamente nello spazio perché l’aria è altamente trasparente alla luce infrarossa.
Il nuovo dispositivo si basa su un concetto che Wang e altri hanno dimostrato un anno fa, che utilizzava anche un raffreddamento radiativo ma utilizzava una barriera fisica, una sottile striscia di metallo, per proteggere il dispositivo dalla luce solare diretta per evitare che si surriscaldasse. Quel dispositivo funzionava, ma forniva meno della metà della potenza frigorifera che il nuovo sistema raggiunge grazie al suo strato isolante altamente efficiente.
“Il grande problema era l’isolamento”, spiega Leroy. Il più grande input di calore che impedisce al dispositivo precedente di ottenere un raffreddamento più profondo è stato dal calore dell’aria circostante. “Come si fa a mantenere la superficie fredda pur permettendo che si irradi?” Si chiese. Il problema è che quasi tutti i materiali isolanti sono anche molto bravi a bloccare la luce infrarossa e quindi interferirebbero con l’effetto di raffreddamento radiativo.
Ci sono state molte ricerche sui modi per ridurre al minimo la perdita di calore, afferma Wang, che è il professore di ingegneria meccanica di Gail E. Kendall. Ma questo è un problema diverso che ha ricevuto molta meno attenzione: come ridurre al minimo il guadagno di calore. “È un problema molto difficile”, afferma.
La soluzione è nata dallo sviluppo di un nuovo tipo di aerogel. Gli aerogel sono materiali leggeri costituiti principalmente da aria e offrono un ottimo isolamento termico, con una struttura formata da microscopiche formazioni simili a schiuma di alcuni materiali. La nuova intuizione del team era quella di creare un aerogel di polietilene, il materiale utilizzato in molti sacchetti di plastica. Il risultato è un materiale morbido e bianco che è così leggero che un determinato volume pesa solo 1/50 dell’acqua.
La chiave del suo successo è che mentre blocca oltre il 90 percento della luce solare in arrivo, proteggendo così la superficie sottostante dal riscaldamento, è molto trasparente alla luce infrarossa, consentendo all’80 percento circa dei raggi di calore di passare liberamente verso l’esterno. “Siamo rimasti molto entusiasti quando abbiamo visto questo materiale”, afferma Leroy.
Il risultato è che può raffreddare drasticamente una piastra, realizzata con un materiale come metallo o ceramica, posta sotto lo strato isolante, che viene chiamato emettitore. Quella piastra potrebbe quindi raffreddare un contenitore collegato ad esso, o raffreddare il liquido che passa attraverso le bobine a contatto con esso, per fornire raffreddamento per prodotti o aria o acqua.
Mettere il dispositivo alla prova
Per testare le loro previsioni sulla sua efficacia, il team insieme ai loro collaboratori cileni ha istituito un dispositivo di prova del concetto nel deserto cileno di Atacama, parti delle quali sono le terre più aride della Terra. Non ricevono praticamente alcuna pioggia, eppure, essendo proprio sull’equatore, ricevono una luce solare che può mettere alla prova il dispositivo. Il dispositivo ha raggiunto un raffreddamento di 13 gradi Celsius sotto la piena luce solare a mezzogiorno solare. Test simili nel campus del MIT a Cambridge, nel Massachusetts, hanno ottenuto un raffreddamento di poco inferiore a 10 gradi.
È un raffreddamento sufficiente per fare una differenza significativa nella conservazione dei prodotti in località remote, affermano i ricercatori. Inoltre, potrebbe essere utilizzato per fornire uno stadio iniziale di raffreddamento per la refrigerazione elettrica, riducendo così al minimo il carico su tali sistemi per consentire loro di funzionare in modo più efficiente con meno energia.
Teoricamente, un tale dispositivo potrebbe raggiungere una riduzione della temperatura fino a 50 C, affermano i ricercatori, quindi stanno continuando a lavorare per ottimizzare ulteriormente il sistema in modo che possa essere esteso ad altre applicazioni di raffreddamento come la costruzione di aria condizionata senza la necessità di qualsiasi fonte di energia. Il raffreddamento radiativo è già stato integrato con alcuni sistemi di condizionamento d’aria esistenti per migliorare la loro efficienza.
Tuttavia, hanno già raggiunto una maggiore quantità di raffreddamento alla luce diretta del sole rispetto a qualsiasi altro sistema passivo e radiativo diverso da quelli che utilizzano un sistema di vuoto per l’isolamento, che è molto efficace ma anche pesante, costoso e fragile.
Questo approccio potrebbe anche essere un componente aggiuntivo a basso costo per qualsiasi altro tipo di sistema di raffreddamento, fornendo un raffreddamento aggiuntivo per integrare un sistema più convenzionale. “Qualunque sistema tu abbia”, dice Leroy, “metti l’aerogel su di esso e otterrai prestazioni molto migliori”.
Peter Bermel, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la Purdue University, che non è stato coinvolto in questo lavoro, afferma: “Il principale vantaggio potenziale dell’aerogel di polietilene qui presentato potrebbe essere la sua relativa compattezza e semplicità, rispetto a una serie di precedenti esperimenti “.
Aggiunge: “Potrebbe essere utile confrontare quantitativamente e confrontare questo metodo con alcune alternative, come i film in polietilene e il blocco selettivo dell’angolo in termini di prestazioni (ad esempio, variazione di temperatura), costo e peso per unità di area. … Il vantaggio pratico potrebbe essere significativo se il confronto fosse eseguito e il compromesso costi / benefici favorisse significativamente questi aerogel. ”
Il lavoro è stato in parte supportato da una sovvenzione del MIT International Fund and Semit del MIT in Cile.
