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Sviluppato un nuovo fantastico metodo di refrigerazione

Questo collage raffigura elementi legati al raffreddamento ionocalorico, un ciclo di refrigerazione di nuova concezione che i ricercatori sperano possa aiutare a eliminare gradualmente i refrigeranti che contribuiscono al riscaldamento globale

Questo collage raffigura elementi legati al raffreddamento ionocalorico, un ciclo di refrigerazione di nuova concezione che i ricercatori sperano possa aiutare a eliminare gradualmente i refrigeranti che contribuiscono al riscaldamento globale. Credito: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Aggiunta di sale a una strada prima che una tempesta invernale cambi quando si formerà il ghiaccio. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia hanno applicato questo concetto di base per sviluppare un nuovo metodo di riscaldamento e raffreddamento. La tecnica, che hanno chiamato “raffreddamento ionocalorico”, è descritta in un articolo pubblicato il 23 dicembre sulla rivista Science .

Il raffreddamento ionocalorico sfrutta il modo in cui l’energia, o calore, viene immagazzinata o rilasciata quando un materiale cambia fase, ad esempio passando dal ghiaccio solido all’acqua liquida . La fusione di un materiale assorbe calore dall’ambiente circostante, mentre la solidificazione rilascia calore. Il ciclo ionocalorico provoca questa fase e cambiamento di fase e di temperatura attraverso il flusso di ioni (atomi o molecole caricati elettricamente) che provengono da un sale.

I ricercatori sperano che il metodo possa un giorno fornire riscaldamento e raffreddamento efficienti, che rappresentano oltre la metà dell’energia utilizzata nelle case, e aiutare a eliminare gradualmente gli attuali sistemi di “compressione del vapore”, che utilizzano gas con un elevato potenziale di riscaldamento globale come refrigeranti. La refrigerazione ionocalorica eliminerebbe il rischio che tali gas fuoriescano nell’atmosfera sostituendoli con componenti solidi e liquidi.

“Il panorama dei refrigeranti è un problema irrisolto: nessuno ha sviluppato con successo una soluzione alternativa che renda le cose fredde, funzioni in modo efficiente, sia sicuro e non danneggi l’ambiente”, ha affermato Drew Lilley, assistente di ricerca laureato presso il Berkeley Lab e dottorato di ricerca candidato alla UC Berkeley che ha condotto lo studio. “Pensiamo che il ciclo ionocalorico abbia il potenziale per raggiungere tutti questi obiettivi se realizzato in modo appropriato”.

Questa animazione mostra il ciclo ionocalorico in azione. Quando viene aggiunta una corrente, gli ioni fluiscono e trasformano il materiale da solido a liquido, facendo sì che il materiale assorba calore dall’ambiente circostante. Quando il processo viene invertito e gli ioni vengono rimossi, il materiale cristallizza in un solido, rilasciando calore. Credito: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Trovare una soluzione che sostituisca gli attuali refrigeranti è essenziale affinché i paesi raggiungano gli obiettivi sul cambiamento climatico, come quelli dell’emendamento di Kigali (accettato da 145 parti, inclusi gli Stati Uniti nell’ottobre 2022). L’accordo impegna i firmatari a ridurre la produzione e il consumo di idrofluorocarburi (HFC) di almeno l’80% nei prossimi 25 anni. Gli HFC sono potenti gas serra che si trovano comunemente nei frigoriferi e nei sistemi di condizionamento dell’aria e possono intrappolare il calore migliaia di volte più efficacemente dell’anidride carbonica.

Il nuovo ciclo ionocalorico si unisce a molti altri tipi di raffreddamento “calorico” in fase di sviluppo. Queste tecniche utilizzano metodi diversi, tra cui magnetismo, pressione, stiramento e campi elettrici, per manipolare materiali solidi in modo che assorbano o rilascino calore. Il raffreddamento ionocalorico differisce utilizzando gli ioni per guidare i cambiamenti di fase da solido a liquido. L’utilizzo di un liquido ha l’ulteriore vantaggio di rendere il materiale pompabile, facilitando l’ingresso o l’uscita del calore dal sistema, qualcosa con cui il raffreddamento a stato solido ha avuto difficoltà.

Lilley e l’autore corrispondente Ravi Prasher, affiliato di ricerca nell’area delle tecnologie energetiche del Berkeley Lab e professore a contratto di ingegneria meccanica presso l’UC Berkeley, hanno esposto la teoria alla base del ciclo ionocalorico. Hanno calcolato che ha il potenziale per competere o addirittura superare l’efficienza dei refrigeranti gassosi che si trovano oggi nella maggior parte dei sistemi.

Hanno anche dimostrato la tecnica sperimentalmente. Lilley ha utilizzato un sale a base di iodio e sodio, oltre al carbonato di etilene, un comune solvente organico utilizzato nelle batterie agli ioni di litio.

“Esiste la possibilità di avere refrigeranti che non sono solo GWP [potenziale di riscaldamento globale] -zero, ma GWP-negativo”, ha affermato Lilley. “L’utilizzo di un materiale come il carbonato di etilene potrebbe effettivamente essere negativo al carbonio, perché lo produci utilizzando l’anidride carbonica come input. Questo potrebbe darci un posto dove utilizzare la CO 2 dalla cattura del carbonio”.

La corrente che attraversa il sistema sposta gli ioni, modificando il punto di fusione del materiale. Quando si scioglie, il materiale assorbe calore dall’ambiente circostante e quando gli ioni vengono rimossi e il materiale si solidifica, restituisce calore. Il primo esperimento ha mostrato un cambiamento di temperatura di 25 gradi Celsius usando meno di un volt, un aumento di temperatura maggiore di quanto dimostrato da altre tecnologie caloriche.

“Ci sono tre cose che stiamo cercando di bilanciare: il GWP del refrigerante, l’efficienza energetica e il costo dell’apparecchiatura stessa”, ha affermato Prasher. “Fin dal primo tentativo, i nostri dati sembrano molto promettenti su tutti e tre questi aspetti”.

Mentre i metodi calorici sono spesso discussi in termini di potere di raffreddamento, i cicli possono anche essere sfruttati per applicazioni come il riscaldamento dell’acqua o il riscaldamento industriale. Il team ionocalorico sta continuando a lavorare sui prototipi per determinare come la tecnica potrebbe scalare per supportare grandi quantità di raffreddamento , migliorare la quantità di variazione di temperatura che il sistema può supportare e migliorare l’efficienza.

“Abbiamo questo nuovissimo ciclo termodinamico e struttura che riunisce elementi provenienti da diversi campi e abbiamo dimostrato che può funzionare”, ha affermato Prasher. “Ora è il momento della sperimentazione per testare diverse combinazioni di materiali e tecniche per affrontare le sfide ingegneristiche”.

Lilley e Prasher hanno ricevuto un brevetto provvisorio per il ciclo di refrigerazione ionocalorico e la tecnologia è ora disponibile per la licenza.

Maggiori informzioni : Drew Lilley et al, Ionocaloric refrigeration cycle, Science (2022). DOI: 10.1126/science.ade1696

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