Una nuova lega a memoria di forma potrebbe aprire la strada a sistemi di raffreddamento più duraturi, privi dei tradizionali refrigeranti gassosi e con un rischio significativamente ridotto di perdite. Il dispositivo sperimentale sviluppato da un’équipe dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) ha prodotto 400 watt di potenza frigorifera, mantenendo una differenza di temperatura di 41 °C per un milione di cicli senza una degradazione misurabile delle prestazioni. Il cuore del sistema è una lega composta da titanio, nichel, rame e cobalto, denominata TiNiCuCo. Il materiale sfrutta l’effetto elastocalorico, un fenomeno che consente di trasformare ripetute sollecitazioni meccaniche in variazioni di temperatura. Il risultato è ancora lontano dal rappresentare un’alternativa commerciale ai climatizzatori tradizionali, ma affronta uno dei principali ostacoli che finora hanno frenato lo sviluppo della refrigerazione elastocalorica: la durata nel tempo:
Il problema non era produrre freddo, ma farlo per milioni di volte
La refrigerazione elastocalorica si basa su un principio relativamente semplice. Invece di comprimere ed espandere un fluido refrigerante all’interno di un circuito, il sistema utilizza una lega a memoria di forma sottoposta a carichi meccanici. Quando il materiale viene deformato, la sua struttura interna cambia e libera calore. Quando la sollecitazione viene rimossa, la trasformazione si inverte e la lega assorbe calore. Ripetendo il ciclo è possibile sfruttare il materiale per raffreddare un ambiente o un altro fluido. Questa tecnologia presenta un vantaggio importante: il refrigerante è solido e non richiede i tradizionali gas utilizzati nei sistemi a compressione di vapore. Il limite principale, tuttavia, è sempre stato la fatica dei materiali. Molti dispositivi elastocalorici impiegano leghe di nichel e titanio, note come NiTi o nitinol. Dopo migliaia di trasformazioni interne, queste leghe possono perdere parte della loro capacità di produrre variazioni termiche. Secondo lo studio pubblicato sulla rivista Joule, alcuni dispositivi elastocalorici analizzati in precedenza avevano mostrato riduzioni delle prestazioni comprese tra il 17% e il 48% a causa della degradazione del materiale. Per una tecnologia destinata a funzionare per anni in frigoriferi, pompe di calore o climatizzatori, una simile perdita di efficienza rappresenta un ostacolo difficile da superare. La lega TiNiCuCo resiste alla fatica Il gruppo di ricerca di Hong Kong ha cercato di risolvere il problema intervenendo direttamente sulla composizione della lega. Il materiale sviluppato contiene quattro elementi:
titanio, nichel, rame e cobalto. La lega mantiene il comportamento tipico dei materiali a memoria di forma, ma presenta una maggiore resistenza alla fatica. Durante i test, ha conservato un cambiamento di temperatura elastocalorico stabile di circa 14,8 °C. In prove accelerate, il materiale ha raggiunto 100 milioni di cicli senza mostrare una degradazione funzionale osservabile. Si tratta di un risultato rilevante perché sposta l’attenzione su altri aspetti ancora da ottimizzare: l’efficienza complessiva del sistema, la potenza erogata in rapporto alle dimensioni, i costi di produzione e il meccanismo necessario per deformare ripetutamente la lega.
Un ruolo importante anche per la struttura a doppia aletta
La resistenza della lega, da sola, non sarebbe stata sufficiente. Un sistema di raffreddamento deve anche trasferire il calore in modo efficace e sopportare milioni di cicli meccanici senza deformarsi o rompersi. Per questo i ricercatori hanno progettato una struttura refrigerante dotata di alette a doppio strato. Le alette aumentano la superficie disponibile per lo scambio termico e migliorano la resistenza al fenomeno del carico ripetuto che può causare l’instabilità o il cedimento della struttura. Il componente ha superato oltre 10 milioni di cicli di compressione. Inoltre, il progetto complessivo è stato semplificato: secondo HKUST, il numero di componenti è stato ridotto di circa il 50%, mentre la quota di elementi strutturali che non contribuiscono direttamente al raffreddamento è scesa dal 15% al 5%. Una struttura più semplice potrebbe ridurre i punti di possibile guasto e, in futuro, facilitare la produzione e la manutenzione dei dispositivi.
400 watt di potenza frigorifera dopo un milione di cicli
Il prototipo finale è composto da diverse unità elastocaloriche. Durante un milione di cicli di funzionamento ha prodotto in modo stabile 400 watt di potenza frigorifera, mantenendo una differenza di temperatura di 41 °C senza una perdita di prestazioni rilevata dai ricercatori. Il dato è significativo per un dispositivo sperimentale, ma deve essere interpretato nel modo corretto. Quattrocento watt non sono sufficienti per trasformare il prototipo in un sostituto diretto di un climatizzatore domestico. Per arrivare a un prodotto commerciale sarà necessario considerare anche:
- efficienza energetica complessiva;
- potenza frigorifera in rapporto al volume;
- dimensioni dell’apparecchio;
- rumore prodotto dal sistema meccanico;
- costi di fabbricazione;
- affidabilità in condizioni ambientali reali;
- facilità di manutenzione.
Il risultato più importante, quindi, non è soltanto la potenza raggiunta, ma la possibilità di ripetere il ciclo per un numero molto elevato di volte senza una perdita osservabile di rendimento.
Dalla dimostrazione di laboratorio al climatizzatore
Il team guidato dal professor Qingping Sun sta già lavorando allo sviluppo di un sistema di climatizzazione basato sulla stessa tecnologia. Il passaggio da un dimostratore sperimentale a un vero climatizzatore comporta però numerose difficoltà. Un dispositivo destinato alle abitazioni o agli edifici deve funzionare in modo continuo, consumare poca energia, essere compatto, produrre sufficiente potenza e avere costi compatibili con quelli delle tecnologie già presenti sul mercato.
Tra le priorità indicate dai ricercatori ci sono l’aumento dell’efficienza energetica, il miglioramento della densità di potenza e la riduzione dei costi. Per questo non è ancora possibile affermare che la refrigerazione elastocalorica sostituirà presto i sistemi convenzionali. La tecnologia ha superato un ostacolo fondamentale, ma deve ancora dimostrare di poter competere con una tecnologia che dispone di decenni di sviluppo industriale.
Una possibile durata superiore ai dieci anni
I test di fatica hanno permesso ai ricercatori di formulare una stima sulla durata potenziale del refrigerante. In condizioni operative reali, la lega potrebbe mantenere un funzionamento affidabile per oltre dieci anni.
Si tratta però di una proiezione, non di un risultato ottenuto dopo dieci anni di funzionamento continuo. La stima deriva dall’analisi dei test accelerati, compresa la prova da 100 milioni di cicli effettuata sul materiale. La distinzione è importante, ma il dato aiuta a comprendere l’impatto del risultato. Un sistema destinato alla climatizzazione o alla conservazione degli alimenti deve funzionare per anni, non soltanto dimostrare di poter operare per alcune migliaia di cicli in laboratorio.
Una tecnologia ancora sperimentale, ma più vicina alle applicazioni pratiche
La refrigerazione elastocalorica non è una novità assoluta. Da anni diversi gruppi di ricerca studiano il nitinol e altre leghe a memoria di forma per creare sistemi in grado di trasportare calore senza utilizzare refrigeranti gassosi tradizionali. Il contributo del gruppo HKUST si concentra su un aspetto particolarmente importante: la durabilità. Il problema non era più soltanto dimostrare che una lega potesse produrre freddo, ma verificare per quanto tempo potesse farlo mantenendo le proprie prestazioni. Il dispositivo ha superato un milione di cicli di funzionamento, mentre la lega TiNiCuCo ha raggiunto 100 milioni di cicli nei test accelerati. Questi risultati non risolvono tutti i problemi, ma riducono una delle principali incertezze sulla possibilità di utilizzare la tecnologia in applicazioni reali.
Il potenziale ambientale
La domanda globale di raffreddamento è destinata ad aumentare e, con essa, la necessità di sistemi più efficienti e meno dipendenti dai refrigeranti tradizionali. Un climatizzatore basato su un refrigerante solido potrebbe ridurre il rischio di perdite di gas, semplificare alcuni circuiti e aprire nuove possibilità per pompe di calore, frigoriferi e sistemi di climatizzazione. Il vantaggio ambientale, tuttavia, dipenderà dall’intero ciclo di vita del prodotto. La tecnologia sarà davvero competitiva soltanto se riuscirà a combinare:
lunga durata;
basso consumo energetico;
potenza sufficiente;
produzione su larga scala;
costi contenuti;
manutenzione semplice;
materiali e processi produttivi sostenibili.
Il lavoro pubblicato su Joule rappresenta quindi un passo avanti importante, ma non ancora una rivoluzione commerciale. La refrigerazione elastocalorica ha dimostrato di poter superare il problema della fatica dei materiali. Ora dovrà dimostrare di poter diventare efficiente, compatta ed economicamente competitiva.
Scheda tecnica
Tecnologia: refrigerazione elastocalorica.
Materiale: lega a memoria di forma TiNiCuCo, composta da titanio, nichel, rame e cobalto.
Potenza frigorifera: 400 W.
Differenza di temperatura mantenuta: 41 °C.
Cicli del dispositivo: 1.000.000 senza degradazione misurabile delle prestazioni.
Cicli di fatica della lega: 100 milioni senza degradazione funzionale osservata.
Cicli della struttura a doppia aletta: oltre 10 milioni.
Variazione di temperatura elastocalorica del materiale: circa 14,8 °C.
Fase di sviluppo: prototipo sperimentale e dimostrazione avanzata di laboratorio.
Stato commerciale: non è ancora disponibile un prodotto commerciale.
Fonte:
- https://hkust.edu.hk/news/hkust-unveils-worlds-first-zero-degradation-elastocaloric-cooling-device-revolutionize
- https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(26)00311-9
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