L’’innovativa tecnologia, senza emissioni, stabilizza la temperatura in soli 15 minuti: una svolta per la climatizzazione sostenibile
I ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) hanno sviluppato il primo dispositivo di raffreddamento elastocalorico da 1 kW, capace di stabilizzare la temperatura interna tra 21°C e 22°C in soli 15 minuti, anche con temperature esterne fino a 31°C. Questo risultato segna un avanzamento significativo nella ricerca sulla climatizzazione sostenibile e potrebbe accelerare la transizione verso sistemi di raffreddamento a basse emissioni di carbonio.
Una tecnologia a zero emissioni
Con il cambiamento climatico in corso, la domanda di aria condizionata e sistemi di raffreddamento è in continua crescita, tanto da rappresentare il 20% del consumo energetico globale. Le tecnologie tradizionali basate sulla compressione del vapore utilizzano refrigeranti ad alto impatto ambientale, responsabili di un elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP). L’elastocalorico, invece, sfrutta materiali a memoria di forma per garantire un raffreddamento efficiente senza emissioni di gas serra.
Il problema delle precedenti tecnologie
Prima di questa innovazione, i sistemi di raffreddamento elastocalorico arrivavano a un massimo di 260 W, una potenza insufficiente per l’uso commerciale. Il team di ricerca, guidato dai professori Sun Qingping e Yao Shuhuai del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della HKUST, ha identificato due principali limiti:
- Difficoltà nel bilanciare la potenza di raffreddamento specifica con la massa attiva del sistema.
- Efficienza termica insufficiente durante operazioni ad alta frequenza.
Per superare questi ostacoli, hanno sviluppato un’architettura multi-unità in serie, che ha permesso di raggiungere la soglia di 1 kW di raffreddamento per la prima volta.
Il design innovativo del dispositivo
Il dispositivo si basa su una struttura in “SMAs in serie – fluido in parallelo”, che collega 10 unità di raffreddamento elastocalorico lungo la direzione della forza applicata. Ogni unità contiene quattro tubi sottili in nichel-titanio, per un peso totale di soli 104,4 grammi. La loro particolare conformazione, con un alto rapporto superficie-volume (7,51 mm⁻¹), ottimizza lo scambio termico.
Il sistema utilizza un canale fluido in parallelo, che mantiene la pressione sotto 1,5 bar, garantendo stabilità anche ad alta frequenza. Questo approccio ha permesso di ottenere una potenza di raffreddamento specifica (SCP) di 12,3 W/g, un valore tre volte superiore rispetto ai sistemi precedenti, che si fermavano a 4,4 W/g.
L’uso di nanofluidi per migliorare l’efficienza
Un’altra innovazione chiave è stata la sostituzione dell’acqua distillata con nanofluidi a base di grafene, un mezzo di trasferimento del calore all’avanguardia. I test hanno dimostrato che, con una concentrazione di soli 2 grammi per litro, la conducibilità termica del grafene supera del 50% quella dell’acqua distillata.
Le nanoparticelle, dal diametro di 0,8 micrometri, sono molto più piccole rispetto alla larghezza dei canali fluidi (150-500 micrometri), evitando problemi di blocco. La tomografia a raggi X ha confermato che i tubi di nichel-titanio resistono a una compressione uniforme di 950 MPa, senza cedimenti strutturali.
Test pratici e prestazioni straordinarie
Nei test applicativi, il dispositivo ha dimostrato la sua efficacia raffreddando una casa modello di 2,7 m³, con temperature esterne tra 30°C e 31°C. In soli 15 minuti, la temperatura interna si è stabilizzata tra 21°C e 22°C, dimostrando la fattibilità pratica della tecnologia.
Oltre a offrire una maggiore efficienza rispetto agli attuali dispositivi a stato solido, questo sistema ha infranto per la prima volta la barriera del kilowatt, rendendo il raffreddamento elastocalorico una concreta alternativa per applicazioni commerciali.
Le prospettive future della climatizzazione green
Commentando il successo della ricerca, il prof. Sun Qingping ha dichiarato: “Questo risultato dimostra il potenziale per l’applicazione su larga scala della tecnologia di raffreddamento elastocalorico. Stiamo lavorando con l’industria per accelerarne la commercializzazione.”
La regolamentazione sempre più stringente sugli idrofluorocarburi (HFC) spinge il settore verso soluzioni zero emissioni, e questa innovazione potrebbe ridefinire il futuro del condizionamento. “Questa tecnologia non solo ridurrà il consumo energetico, ma renderà anche i dispositivi più compatti e adatti agli ambienti domestici”, ha aggiunto il prof. Yao Shuhuai.
Il team sta già esplorando miglioramenti futuri, tra cui lo sviluppo di nuovi materiali elastocalorici e l’ottimizzazione del sistema di azionamento rotativo, per ottenere prestazioni ancora più elevate e tempi di raffreddamento ridotti.
Questa scoperta segna un altro traguardo importante per il gruppo di ricerca, che meno di un anno fa aveva stabilito un nuovo record con un dispositivo elastocalorico multi-materiale, capace di un incremento termico di 75 K, pubblicato su Nature Energy nel 2024.
Fonte:
Foto e Infografiche di Nature
