Il nuovo sistema di raffreddamento elastocalorico si mostra promettente per l’uso commerciale

Un team di ricercatori negli Stati Uniti e in Cina ha sviluppato un sistema di raffreddamento elastocalorico che assorbe il calore quando la tensione viene rilasciata in fasci di tubi metallici. Guidato da Ichiro Takeuchi dell'Università del Maryland, il progetto del team ha ottenuto prestazioni di raffreddamento alla pari con altri materiali calorici e potrebbe aprire la strada all'uso commerciale in un futuro non troppo lontano.

I sistemi di refrigerazione convenzionali di solito utilizzano gas che hanno potenti effetti serra se rilasciati nell’atmosfera. Di conseguenza, i ricercatori stanno sviluppando tecnologie alternative di refrigerazione allo stato solido basate su materiali calorici. Questi materiali subiscono variazioni di temperatura se esposti a campi magnetici o elettrici esterni o in risposta a stress o pressioni meccaniche. Oltre a evitare sostanze chimiche dannose, i sistemi di raffreddamento basati su materiali calorici potrebbero anche essere più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai frigoriferi esistenti.

Finora, questa ricerca si è concentrata principalmente sui materiali magnetocalorici, ma più recentemente i materiali elastocalorici sono emersi come candidati ancora più promettenti per il raffreddamento calorico commerciale. Tra questi materiali c'è la lega di nichel titanio (NiTi) altamente elastica e facilmente lavorabile.

Come il team di Takeuchi ha dimostrato per la prima volta più di dieci anni fa, i fili sottili di questa lega possono espellere grandi quantità di calore quando sono sotto tensione e assorbirlo quando la tensione viene rilasciata. "Circa 12 anni fa, abbiamo scoperto che NiTi può mostrare sperimentalmente un ampio intervallo di temperatura, che puoi sentire con la mano", ricorda Takeuchi. “All’epoca, lo abbiamo dimostrato aggiungendo tensione ai fili NiTi facilmente disponibili. È così che abbiamo iniziato a realizzare dispositivi elastocalorici”.

I ricercatori si sono poi messi al lavoro sullo sviluppo di applicazioni di raffreddamento utili dal punto di vista commerciale. Tuttavia, l’implementazione del raffreddamento elastocalorico su larga scala si è rivelata una sfida tecnica significativa. Il problema principale è che cicli ripetuti di tensione e rilascio danneggiano i fili NiTi, limitandone la vita utile.

Per affrontare questa sfida, il team di Takeuchi ha sviluppato un nuovo sistema di scambio termico in cui l'acqua viene pompata attraverso fasci di tubi NiTi. “Ci è voluto molto tempo per superare varie sfide ingegneristiche, ma con la nostra recente dimostrazione siamo stati in grado di dimostrare ciò che immaginavamo 10 anni fa. Stiamo utilizzando l’acqua come fluido di scambio termico, rendendo l’acqua più fredda, in modo che possa essere utilizzata a sua volta per la refrigerazione o il condizionamento dell’aria”, spiega Takeuchi.

Il team ha utilizzato due quantità per valutare il successo dell’approccio. Il primo è la “potenza di raffreddamento erogata”, che descrive la velocità di rimozione del calore. Il secondo è “intervallo di temperatura”, che descrive la differenza di temperatura tra l’acqua a ciascuna estremità del sistema. "Per questi due importanti valori siamo riusciti a raggiungere rispettivamente 260 W e 22,5 K", afferma Takeuchi. I ricercatori hanno massimizzato ciascuno di questi valori a turno, semplicemente regolando le sequenze di funzionamento delle valvole nel loro sistema di scambio di calore.

Questi ultimi risultati sono un esempio di come i materiali elastocalorici stanno recuperando terreno rispetto alle prestazioni di raffreddamento delle loro controparti magnetocaloriche e potrebbero presto diventare candidati realizzabili per i sistemi di raffreddamento commerciali.

Il raffreddamento a stato solido è ottenuto tramite deformazione indotta dal campo elettrico

Tuttavia, Takeuchi ammette che l’uso pratico dei materiali elastocalorici potrebbe essere ancora lontano, poiché probabilmente richiederà prima lo sviluppo di materiali più avanzati. "L'elevato stress richiesto per il NiTi è ancora un problema, ma ci sono materiali all'orizzonte, altri materiali superelastici, che sono noti per mostrare effetti elastocalorici con stress molto minori", afferma.

“Questi materiali sono meno sviluppati e non ancora disponibili in commercio, ma riteniamo che un ulteriore sviluppo di questi materiali e la loro implementazione in sistemi di raffreddamento a basso stress sia una prospettiva davvero entusiasmante”. Il team di Takeuchi ha già elaborato i piani per un refrigeratore per vino compatto ed elastocalorico e spera di dimostrare un prototipo di successo una volta che questi materiali saranno disponibili.