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Trasformare il calore disponibile in energia meccanica e utilizzarla per produrre freddo. È questo il principio alla base di un innovativo sistema di refrigerazione allo stato solido sviluppato da ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell’Università di Tsukuba. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Energy, apre una possibile strada verso sistemi di raffreddamento capaci di sfruttare direttamente fonti di calore anziché ricorrere a un azionamento elettrico.
Il cuore della tecnologia è costituito da due sottili pellicole realizzate in una lega di nichel e titanio (NiTi), materiale noto per le sue proprietà di memoria di forma.
La prima pellicola svolge il ruolo di attuatore termico. Quando viene riscaldata, cambia forma e si contrae, trasformando l’energia fornita dal calore in movimento meccanico. Questo movimento viene quindi trasferito alla seconda pellicola, che rappresenta l’elemento refrigerante vero e proprio.
Qui entra in gioco l’effetto elastocalorico: sottoponendo ripetutamente il materiale a cicli di carico e scarico, la sua struttura cristallina cambia in modo reversibile. Il fenomeno provoca una variazione della temperatura che può essere sfruttata per sottrarre calore e produrre un effetto refrigerante.
«La novità principale è l’integrazione di due proprietà complementari delle leghe a memoria di forma: una pellicola trasforma il calore in lavoro meccanico, mentre l’altra utilizza quel lavoro per generare raffreddamento», ha spiegato Jingyuan Xu, responsabile dello Young Investigator Group dello ZEco Thermal Lab del KIT.
Il prototipo raggiunge quasi 13 °C di escursione termica
I primi test hanno fornito risultati incoraggianti. Con l’attuatore portato a 86 °C, il dispositivo ha prodotto una differenza di temperatura di circa 4 °C a livello del componente. Nel materiale refrigerante elastocalorico, invece, la variazione di temperatura ha raggiunto quasi 13 °C.
La sperimentazione ha inoltre verificato il funzionamento del sistema in presenza di una sorgente di calore esterna a 130 °C, una condizione che avvicina il concetto alle caratteristiche di alcune applicazioni reali in cui è già disponibile calore di scarto.
Il dispositivo realizzato dai ricercatori rappresenta al momento soprattutto una dimostrazione di fattibilità. La configurazione attuale non è infatti ancora ottimizzata per ottenere la massima capacità frigorifera.
Uno dei prossimi obiettivi sarà aumentare la potenza del sistema collegando più pellicole in parallelo. Una maggiore superficie attiva potrebbe consentire di incrementare la quantità di calore trasferita e, di conseguenza, le prestazioni complessive del dispositivo.
Dal calore di scarto al raffreddamento dell’elettronica
La possibilità di utilizzare una fonte termica anziché un motore elettrico per azionare il ciclo potrebbe rendere questa tecnologia interessante soprattutto negli ambienti in cui il calore di scarto è già disponibile.
Tra gli scenari ipotizzati dai ricercatori rientra il raffreddamento dei processori e dei componenti elettronici, sfruttando il calore prodotto durante il funzionamento. Un altro possibile campo di applicazione è quello dei veicoli, dove il calore generato dal sistema di propulsione potrebbe essere impiegato per contribuire al raffreddamento dell’elettronica di bordo.
«Riteniamo che questo sia soltanto il punto di partenza», ha commentato Xu. L’obiettivo del gruppo è portare la tecnologia a una scala maggiore e sviluppare sistemi compatti capaci di sfruttare fonti di calore facilmente disponibili per ottenere un raffreddamento più sostenibile.
La ricerca è stata condotta con la collaborazione dell’Università di Tsukuba e ha ricevuto finanziamenti dalla Carl Zeiss Foundation, dalla Baden-Württemberg Foundation e dalla Hector Fellow Academy.
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