I ricercatori del MIT hanno ideato un nuovo modo per fornire raffreddamento in una giornata calda e soleggiata, utilizzando materiali poco costosi e senza la necessità di energia generata da combustibili fossili.
Il sistema passivo, che potrebbe essere utilizzato per integrare altri sistemi di raffreddamento per conservare cibo e medicine in luoghi caldi lontani dalle reti elettriche, è essenzialmente una versione high-tech di un ombrello.
Sistema di raffreddamento passivo
Il sistema consente l’emissione di calore nella gamma di luce del medio infrarosso che può passare direttamente attraverso l’atmosfera e irradiarsi nel freddo dello spazio esterno, penetrando gas che agiscono come una serra.
Per evitare il riscaldamento alla luce diretta del sole, una piccola striscia di metallo sospesa sopra il dispositivo blocca i raggi diretti del sole.
Il nuovo sistema è descritto sulla rivista Nature Communications in un articolo del ricercatore Bikram Bhatia, dello studente laureato Arny Leroy, del professore di ingegneria meccanica e presidente del dipartimento Evelyn Wang, del professore di fisica Marin Soljacic e di altri sei al MIT.
In teoria, il sistema che hanno progettato potrebbe fornire un raffreddamento fino a 20 gradi Celsius al di sotto della temperatura ambiente in un posto come Boston, dicono i ricercatori.
Finora, nella loro prima prova di concetto, hanno raggiunto un raffreddamento di 6 gradi Celsius. Per le applicazioni che richiedono un raffreddamento ancora maggiore, il resto potrebbe essere realizzato tramite sistemi di refrigerazione convenzionali o raffreddamento termoelettrico.
Altri gruppi hanno tentato di progettare sistemi di raffreddamento passivi che irradiano calore sotto forma di lunghezze d’onda della luce nel medio infrarosso, ma questi sistemi si sono basati su dispositivi fotonici ingegnerizzati in modo complesso che possono essere costosi da produrre e non sono prontamente disponibili per un uso diffuso.
I dispositivi sono complessi perché sono progettati per riflettere quasi perfettamente tutte le lunghezze d’onda della luce solare ed emettono solo radiazioni nella gamma del medio infrarosso, per la maggior parte. Questa combinazione di riflettività selettiva ed emissività richiede un materiale multistrato in cui gli spessori degli strati sono controllati con precisione nanometrica.
Ma si scopre che una simile selettività può essere ottenuta semplicemente bloccando la luce solare diretta con una sottile striscia posizionata con l’angolazione corretta per coprire il percorso del sole attraverso il cielo, senza la necessità di un tracciamento attivo da parte del dispositivo.
Quindi, un semplice dispositivo costruito con una combinazione di pellicola di plastica economica, alluminio lucidato, vernice bianca e isolamento può consentire la necessaria emissione di calore attraverso la radiazione nel medio infrarosso, che è il modo in cui la maggior parte degli oggetti naturali viene raffreddata, impedendo al dispositivo di essere riscaldato dalla luce solare diretta.
Sin dall’antichità, infatti, sono stati utilizzati semplici sistemi di raffrescamento radiativo per ottenere il raffrescamento notturno; il problema era che tali sistemi non funzionavano durante il giorno perché l’effetto di riscaldamento della luce solare era almeno 10 volte più forte del massimo effetto di
raffreddamento ottenibile.Ma i raggi di calore del sole viaggiano in linea retta e vengono facilmente bloccati, come sperimentiamo, ad esempio, calpestando l’ombra di un albero in una giornata calda.
Ombreggiando essenzialmente il dispositivo posizionando un ombrello su di esso e integrandolo con un isolamento attorno al dispositivo per proteggerlo dalle temperature dell’aria ambiente, i ricercatori hanno reso più praticabile il raffreddamento passivo.
“Abbiamo costruito il setup e fatto esperimenti all’aperto su un tetto del MIT. È stato realizzato con materiali molto semplici. È un po’ ingannevolmente semplice”, ha detto Wang.
“Avendo uno schermo separato e un emettitore nell’atmosfera, due componenti separati che possono avere un costo relativamente basso, il sistema non richiede abilità speciali per emettere e assorbire selettivamente. Stiamo usando la selettività angolare per permetterci di bloccare la luce solare diretta, continuando a irradiare verso il cielo le lunghezze d’onda che trasportano il calore”.
Questo progetto “ci ha ispirato a ripensare l’uso dell’ombra”, afferma Yichen Shen, affiliato alla ricerca e coautore dell’articolo.
“In passato la gente pensava di usarla solo per ridurre il riscaldamento. Ma ora sappiamo che se l’ombra viene utilizzata in modo intelligente insieme a un filtro di luce di supporto, può effettivamente essere utilizzata per raffreddare l’oggetto”.
Un fattore limitante per il sistema è l’umidità nell’atmosfera, afferma Leroy, che può bloccare parte dell’emissione di infrarossi attraverso l’aria.
In un posto come Boston, vicino all’oceano e relativamente umido, questo limita la quantità totale di raffreddamento che può essere raggiunta, limitandola a circa 20 gradi Celsius.
Ma in ambienti più secchi, come gli Stati Uniti sudoccidentali o molti deserti o ambienti aridi in tutto il mondo, il raffreddamento massimo ottenibile potrebbe essere molto più alto, osserva, potenzialmente fino a 40 C (72 F).
Mentre la maggior parte della ricerca sul raffreddamento radiativo si è concentrata su sistemi più grandi che potrebbero essere applicati a stanze fresche o interi edifici, questo approccio è più localizzato, afferma Wang: “Questo sarebbe utile per le applicazioni di refrigerazione, come la conservazione degli alimenti”.