Rivoluzione nel Freddo: la nano-tecnologia che sostituisce i compressori

Si può raffddare, e in modo molto più efficiente, con un sistema che non utilizza rumorosi compressori, ma semplicemente con il transito dell’elettricità in una nanocellula.

I ricercatori del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, nel Maryland, hanno sviluppato una nuova tecnologia di refrigerazione termoelettrica allo stato solido facilmente producibile con materiali nanoingegnerizzati che è due volte più efficiente dei dispositivi realizzati con materiali termoelettrici disponibili in commercio.

Con la crescente domanda globale di soluzioni di raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico, affidabili e compatte, questo progresso offre un’alternativa scalabile alla tradizionale refrigerazione basata su compressori che con comporta l’uso di gas pericolosi se rilasciati. La ricerca scientifica alla base della realizzazione è stata pubblcata su Nature Communications.

Maggioe efficienza e minore carico elettrico

I risultati dello studio dimostrano una significativa superiorità dei moduli TFTEC (Thin-Film Thermoelectric Cooling), basati su film sottili in gradi di raffreddare quando percorsi da corrente elettrica, rispetto ai dispositivi termo-elettrici convenzionali.

I moduli TFTEC offrono un CoP dal 100% al 300% migliore rispetto ai dispositivi bulk, a seconda delle condizioni operative. Questo si traduce in un’efficienza da 2 a 4 volte superiore.

A livello di sistema, un modulo TFTEC da 16 accoppiamenti ha raggiunto un CoP di circa 15 per differenziali di temperatura ridotti (1,3 °C). Ciò significa che è stato in grado di pompare circa 1,2 Watt di calore consumando solamente 80 milliwatt di potenza elettrica. Pensate che le pompe domestiche hanno potenze spesso superiori ai 1000 Watte avete un’idea della potenzialità del sistema.

Efficienza elevata per moduli ottimizzati

Per moduli 4×4 (16 accoppiamenti) con un elevato fattore di merito termo-elettrico (ZT di 1,16), è stato osservato un CoP a bassa corrente/basso carico che è il 300% più alto rispetto a un modulo bulk (circa 25,7 contro 5,9).

Questi dati evidenziano che i sistemi TFTEC non solo sono più efficienti, ma consentono anche di pompare una maggiore quantità di calore per ogni singolo accoppiamento P-N, il che è fondamentale per applicazioni di refrigerazione distribuita, portatile e per il raffreddamento dei componenti elettronici.

Può la termoelettrica essere così efficiente?

Il raffreddamento termo-elettrico si basa sull’effetto Peltier, un fenomeno fisico  termoelettrico noto da tempo, in cui una corrente elettrica che attraversa la giunzione tra due materiali diversi genera un assorbimento o un rilascio di calore.

Come funziona l’effetto Peltier

Il cuore del sistema: i materiali Nano-ingegnerizzati (CHESS)

Il cuore della tecnologia sono i materiali CHESS (Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures). Si tratta di film sottili, dello spessore di circa 25 micrometri, cresciuti tramite una tecnica avanzata chiamata deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD). Questi materiali sono progettati a livello nanometrico con una struttura a superreticolo, il che significa che sono composti da strati alternati di due o più materiali diversi (ad esempio, Bi$_2$Te$_3$/Sb$_2$Te$_3$ per il tipo P e Bi$_2$Te$_3$/Bi$_2$Te$_{2.7}$Se$_{0.3}$ per il tipo N).

“Per produrre i materiali CHESS abbiamo utilizzato la deposizione di vapore chimico metallo-organico (MOCVD), un metodo ben noto per la sua scalabilità, economicità e capacità di supportare la produzione di grandi volumi”, ha dichiarato Jon Pierce, ingegnere ricercatore senior che dirige la capacità di crescita MOCVD all’APL. “Il MOCVD è già ampiamente utilizzato a livello commerciale ed è quindi ideale per scalare la produzione dei materiali termoelettrici a film sottile CHESS” ha detto il capo ricercatore  Rama Venkatasubramanian.

Un futuro rivoluzionario: daimMini impianti di refrigerazione e applicazioni mediche

Questi nuovi efficientissimi sistema di raffeddamento aprono la strada a innumerevole applicazioni, dalle più pratiche, come borracce termiche che si raffreddano da soli, a sistemi di raffreddamento efficienti per i sensori, alla possibilità di installare apparecchi medici che raffreddano specifiche parti del corpo, alla realizzazione di abiti “Condizionati” che si raffreddano autonomamente. L’intelligenza è il solo limite alle applicazioni.