Barkeley scopre un nuovo metodo per generare il freddo

Un nuovo sistema di raffreddamento, quello ionocalorico, potrebbe rivoluzionare la tecnologia del condizionamento moderno. 

I tipici sistemi di refrigerazione trasportano il calore lontano da uno spazio tramite un gas che si raffredda mentre si espande a una certa distanza, spostando il calore da un’area ad un’altra. Per quanto efficace sia questo processo, alcuni dei gas scelti che utilizziamo sono particolarmente dannosi per l’ambiente.

Esiste, tuttavia, più di un modo in cui una sostanza può essere forzata ad assorbire e rilasciare energia termica.

Un metodo sviluppato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell’Università della California, Berkeley, negli Stati Uniti, sfrutta il modo in cui l’energia viene immagazzinata o rilasciata quando un materiale cambia fase, come quando il ghiaccio solido si trasforma in acqua liquida, per esempio .

Alza la temperatura su un blocco di ghiaccio, si scioglierà. Quello che potremmo non vedere così facilmente è che lo scioglimento assorbe il calore dall’ambiente circostante, raffreddandolo efficacemente. Anzi la caloria era originariamente definita come l’energia necessaria per innalzare di 1 °C (precisamente, da 14,5 °C a 15,5 °C) la temperatura di 1 g di acqua distillata alla pressione atmosferica.

Un modo per costringere il ghiaccio a sciogliersi senza dover alzare il calore è aggiungere alcune particelle cariche, o ioni. Mettere sale sulle strade per impedire la formazione di ghiaccio è un esempio comune di questo in azione. Prima dell’utilizza dell’energia elettrica per generare freddo intenso e fare, ad esempio, i gelati si scioglieva con il sale la neve conservata nelle ghiacciaie.

Il ciclo ionocalorico utilizza anche il sale per cambiare la fase di un fluido e raffreddare l’ambiente circostante.

“Il panorama dei refrigeranti è un problema irrisolto”, ha affermato l’ingegnere meccanico Drew Lilley del Lawrence Berkeley National Laboratory in California nella dichiarazione del gennaio 2023. “Nessuno ha sviluppato con successo una soluzione alternativa che renda le cose fredde, funzioni in modo efficiente, sia sicura e non danneggi l’ambiente”.

“Pensiamo che il ciclo ionocalorico abbia il potenziale per raggiungere tutti questi obiettivi se realizzato in modo appropriato”.

I ricercatori hanno modellato la teoria del ciclo ionocalorico per mostrare come potrebbe potenzialmente competere con, o addirittura migliorare, l’efficienza dei refrigeranti in uso oggi. Una corrente che attraversa il sistema muoverebbe gli ioni al suo interno, spostando il punto di fusione del materiale per cambiare la temperatura.

Quindi con una combinazione di chimica e di una piccola quantità di energia elettrica si potrebbe risolvere il problema della generazione del freddo, sempre molto costosa.

Raffreddamento ionocalorico

Il ciclo ionocalorico in atto (Jenny Nuss/Berkeley Lab)

Il team ha anche condotto esperimenti utilizzando un sale a base di iodio e sodio per sciogliere il carbonato di etilene. Questo comune solvente organico viene utilizzato anche nelle batterie agli ioni di litio ed è prodotto utilizzando l’anidride carbonica come input. Ciò potrebbe rendere il sistema non solo GWP [potenziale di riscaldamento globale] zero ma GWP negativo.

Uno spostamento di temperatura di 25 gradi Celsius (45 gradi Fahrenheit) è stato misurato attraverso l’applicazione di meno di un singolo volt di carica nell’esperimento, un risultato che supera quello che altre tecnologie caloriche sono riuscite a raggiungere finora.

“Ci sono tre cose che stiamo cercando di bilanciare: il GWP del refrigerante, l’efficienza energetica e il costo dell’apparecchiatura stessa“, ha affermato l’ingegnere meccanico Ravi Prasher del Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Fin dal primo tentativo, i nostri dati sembrano molto promettenti su tutti e tre questi aspetti”.

I sistemi di compressione del vapore attualmente utilizzati nei processi di refrigerazione si basano su gas con elevato GWP, come vari idrofluorocarburi (HFC). I paesi che hanno firmato l’emendamento di Kigali si sono impegnati a ridurre la produzione e il consumo di HFC di almeno l’80% nei prossimi 25 anni e il raffreddamento ionocalorico potrebbe svolgere un ruolo importante in questo.

Ora, i ricercatori devono portare la tecnologia fuori dal laboratorio e in sistemi pratici che possono essere utilizzati commercialmente e che si espandono senza problemi. Alla fine, questi sistemi potrebbero essere utilizzati sia per il riscaldamento che per il raffreddamento.

“Abbiamo questo nuovissimo ciclo termodinamico e struttura che riunisce elementi provenienti da diversi campi e abbiamo dimostrato che può funzionare”, ha affermato Prasher.

“Ora è il momento della sperimentazione per testare diverse combinazioni di materiali e tecniche per affrontare le sfide ingegneristiche”.