L’estate è in pieno svolgimento negli Stati Uniti e le persone stanno alzando i condizionatori d’aria per combattere il caldo. Ma i refrigeranti a base di idrofluorocarburi in questi e altri dispositivi di raffreddamento sono potenti gas serra e i principali fattori di cambiamento climatico. Oggi, gli scienziati segnalano un prototipo di dispositivo che un giorno potrebbe sostituire gli “A/C” esistenti. È molto più rispettoso dell’ambiente e utilizza refrigeranti solidi per raffreddare in modo efficiente uno spazio.

I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi alla riunione autunnale dell’American Chemical Society (ACS). ACS Fall 2022 è una riunione ibrida che si terrà virtualmente e di persona dal 21 al 25 agosto, con accesso su richiesta disponibile dal 26 agosto al 26 settembre. 9. L’incontro prevede quasi 11.000 presentazioni su un’ampia gamma di argomenti scientifici.

“Semplicemente installare un condizionatore d’aria o gettarne uno via è un enorme fattore di riscaldamento globale”, afferma Adam Slavney, Ph.D., che presenterà questo lavoro alla riunione. I refrigeranti utilizzati in questi sistemi sono migliaia di volte più potenti dell’anidride carbonica e possono fuoriuscire accidentalmente dai sistemi durante la manipolazione o lo smaltimento.

I sistemi di raffreddamento tradizionali, come i condizionatori d’aria, funzionano facendo passare un refrigerante tra un gas e un liquido. Quando il liquido diventa un gas, si espande e assorbe calore, raffreddando una stanza o l’interno di un frigorifero. Un compressore che funziona a circa 70-150 libbre per pollice quadrato (psi) trasforma il gas in un liquido, rilasciando calore. Nel caso dei condizionatori, questo calore viene convogliato all’esterno dell’abitazione. Sebbene questo ciclo sia efficiente, le preoccupazioni per i cambiamenti climatici e le normative più severe sui refrigeranti idrofluorocarburi stanno stimolando la ricerca di quelli più responsabili dal punto di vista ambientale.

I refrigeranti solidi potrebbero essere una soluzione ideale. A differenza dei gas, i solidi non disperdono nell’ambiente dalle unità A/C. Una classe di refrigeranti solidi, chiamati materiali barocalorici, funziona in modo simile ai tradizionali sistemi di raffreddamento gas-liquido. Usano i cambiamenti di pressione per passare attraverso i cicli di calore, ma in questo caso la pressione determina un cambiamento di fase da solido a solido. Ciò significa che il materiale rimane un solido, ma la struttura molecolare interna cambia. L’aspetto strutturale chiave di questi materiali solidi barocalorici è che contengono catene molecolari lunghe e flessibili che sono tipicamente flosce e disordinate. Ma sotto pressione, le catene diventano più ordinate e rigide, un cambiamento che rilascia calore. Il processo per passare da una struttura ordinata a una rilassata è come sciogliere la cera, ma senza che diventi un liquido, afferma Jarad Mason, Ph.D., ricercatore principale del progetto, che è all’Università di Harvard. Quando la pressione viene rilasciata, il materiale riassorbe il calore, completando il ciclo.

Uno svantaggio dei sistemi barocalorici, tuttavia, è che la maggior parte di questi materiali richiede pressioni massicce per guidare i cicli di calore. Per produrre queste pressioni, i sistemi necessitano di apparecchiature costose e specializzate che non sono pratiche per le applicazioni di raffreddamento del mondo reale. Mason e il suo team hanno recentemente segnalato materiali barocalorici che possono agire come refrigeranti a pressioni molto più basse. Ora hanno dimostrato che i refrigeranti, chiamati perovskiti ad alogenuri metallici, possono funzionare in un sistema di raffreddamento che hanno costruito da zero. “I materiali che abbiamo segnalato sono in grado di funzionare in ciclo a circa 3.000 psi, che sono pressioni a cui può lavorare un tipico sistema idraulico”, afferma Slavney.  

Il team ha ora costruito un prototipo unico nel suo genere che dimostra l’uso di questi nuovi materiali in un pratico sistema di raffreddamento. Il dispositivo ha tre parti principali. Uno è un tubo di metallo riempito con il refrigerante solido e un liquido inerte: acqua o olio. Un altro pezzo del dispositivo è un pistone idraulico che applica pressione al liquido. Infine, il liquido aiuta a trasferire quella pressione al refrigerante e aiuta a trasportare il calore attraverso il sistema.

Dopo aver risolto diverse sfide ingegneristiche, il team ha dimostrato che i materiali barocalorici funzionano come refrigeranti funzionali, trasformando le variazioni di pressione in cicli completi di variazione della temperatura. “Il nostro sistema non utilizza ancora pressioni così basse come quelle dei sistemi di refrigerazione commerciali, ma ci stiamo avvicinando”, afferma Mason. A conoscenza del team, questo è il primo sistema di raffreddamento funzionante che utilizza refrigeranti a stato solido che si basano su variazioni di pressione.

Un prototipo di sistema di raffreddamento utilizza nuovi materiali barocalorici a stato solido.
CREDITO: Adam Slavney

Con il dispositivo ora in mano, il team prevede di testare una varietà di materiali barocalorici. “Speriamo davvero di utilizzare questa macchina come banco di prova per aiutarci a trovare materiali ancora migliori”, afferma Slavney, compresi quelli che funzionano a pressioni più basse e che conducono meglio il calore. Con un materiale ottimale, i ricercatori ritengono che i refrigeranti a stato solido potrebbero diventare un valido sostituto dell’attuale condizionamento dell’aria e di altre tecnologie di raffreddamento.

I ricercatori riconoscono il sostegno e il finanziamento dell’Università di Harvard Materials Science Research and Engineering Center, dell’Harvard Climate Change Solutions Fund e della Arnold and Mabel Beckman Foundation.