La tecnologia elastocalorica potrebbe essere la prossima

Jan 12, 2024

Il condizionamento dell'aria, la refrigerazione e altre tecnologie di raffreddamento rappresentano oltre il 20% del consumo energetico globale odierno e i refrigeranti HFC hanno un GWP migliaia di volte maggiore dell'anidride carbonica. Nel numero del 18 maggio di Science, un team guidato dal professore di Scienza e ingegneria dei materiali (MSE) dell'Università del Maryland Ichiro Takeuchi e dai professori di ingegneria meccanica (ME) Reinhard Radermacher e Yunho Hwang, ha introdotto un sistema di raffreddamento elastocalorico ad alte prestazioni che non solo soddisfa preoccupazioni relative al cambiamento climatico, ma potrebbe rappresentare la prossima generazione di dispositivi di raffreddamento.

L'articolo descrive in dettaglio il lavoro di Takeuchi e del suo team su quella che descrive come "una tecnologia di raffreddamento completamente diversa, completamente ecologica e rispettosa dell'ambiente". Il primo autore dell'articolo, Suxin Quian, PhD '15, è stato il primo studente di Radermacher a lavorare al progetto. Il secondo autore David Catalini, PhD '20, ha seguito queste orme, lavorando alla progettazione, al funzionamento e al test del nuovo sistema di raffreddamento.

I materiali calorici, compresi i materiali magnetocalorici, elettrocalorici ed elastocalorici, possono subire una transizione di fase e rilasciare e assorbire calore in seguito all'applicazione di vari campi. La caratteristica chiave del sistema elastocalorico è la compressione e il rilascio di tubi in nitinol (NiTi) resistenti alla fatica configurati in un'architettura versatile e multimodale di scambio di calore. Per rendere tali materiali commercialmente validi, devono soddisfare requisiti elevati: potenza di raffreddamento sufficiente, efficienza energetica superiore, sufficiente resistenza ai guasti, adeguata disponibilità di ingredienti e basso costo.

"Più di dieci anni fa, giocavamo semplicemente con un filo NiTi", descrive Takeuchi. “Allungandolo, potresti ottenere un sostanziale effetto rinfrescante che potresti sentire con la mano. È stato allora che abbiamo iniziato a pensare di applicare il concetto a un dispositivo di raffreddamento”. Per più di dieci anni, il lavoro del laboratorio è stato finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Nel recente articolo di Science, il team di Takeuchi ha osservato: "Per catturare gli aspetti migliori del ciclo di rigenerazione attiva e l'operazione di ampio utilizzo in un unico prototipo pratico, abbiamo sviluppato un sistema di raffreddamento elastocalorico multimodale sfruttando l'ampio intervallo di temperatura della modalità di rigenerazione attiva e il raffreddamento efficiente della modalità di massimo utilizzo. Nel prototipo, le due modalità possono essere facilmente commutate dall’una all’altra controllando le sequenze di funzionamento delle valvole nella rete dei fluidi di scambio termico”.

Con la nuova tecnologia, i materiali rimangono allo stato solido rispetto ai refrigeranti tradizionali, come gli HFC, che funzionano spostando le fasi gassosa e liquida. Il nuovo sistema ha una potenza di raffreddamento di 260 watt di potenza di raffreddamento utile e un intervallo di temperatura massima di 22,5 Kelvin --- tra i più alti riportati per qualsiasi sistema di raffreddamento calorico.

“La nostra tecnologia, sviluppata negli ultimi otto anni, è stata in grado di dimostrare dispositivi e sistemi in grado di funzionare allo stesso livello dei sistemi magnetocalorici, che esistono dagli anni ’80”, afferma Takeuchi. Il team sta ora lavorando per ottenere prestazioni più elevate e un maggiore aumento della temperatura dal dispositivo, oltre a identificare un materiale più morbido per ottenere lo stesso effetto con una forza o stress sostanzialmente inferiore.

“Vent’anni fa, stavamo convalidando una teoria della trasformazione di fase, lavorando su un aspetto diverso dello stesso materiale per ottimizzare una lega a memoria di forma – un materiale per attuatori – per prolungare la durata a fatica”, spiega Takeuchi. “La chiave per fornire dispositivi commerciali competitivi è identificare materiali convenienti che possano subire grandi sbalzi di temperatura, ritornare facilmente allo stato precedente e resistere a cicli estesi, in alcuni casi milioni, senza rompersi”.

I calcoli del team indicano che l'efficienza complessiva del sistema potrebbe essere migliorata di un fattore sei utilizzando attuatori più efficienti. Inoltre, i ricercatori sperano di migliorare l’efficienza sostituendo il NiTi con un materiale noto a base di rame che presenta un cambiamento di temperatura elastocalorico simile sotto stress minore.