Focus Dal mondo
Dall’America nuovi materiali a cambiamento di fase stampabili in 3D per regolare la temperatura negli edifici
Da una ricerca della Texas A&M University ottime performance nella termoregolazione degli edifici con nuovi materiali a cambiamento di fase
Una ricerca della Texas A&M University, la quarta più grande università degli Stati Uniti che collabora anche con la NASA, ha sviluppato dei nuovi materiali a cambiamento di fase per l’edilizia stampabili in 3D per la regolazione delle temperature interne agli edifici.
Viste le recenti anomalie nelle variazioni della temperatura registrate a livello globale, è chiaro come sia urgentemente necessario efficientare a livello energetico i sistemi di riscaldamento e raffreddamento al fine di ridurre il carico sulle reti elettriche già messe in situazioni di difficoltà. I tradizionali sistemi HVAC utilizzati negli edifici residenziali e commerciali per regolare la temperatura consumano infatti molta energia e inoltre utilizzano gas refrigeranti a effetto serra, e per questo motivo si sta iniziando a ricercare materiali più sostenibili e tecnologie alternative che agevolino la transizione energetica.
Il gruppo di ricerca della Texas A&M University ha cercato di individuare nuovi materiali da utilizzare sia nei nuovi edifici che in quelli già esistenti e di rendere il loro processo di produzione più semplice ed economico. Si è lavorato quindi sui materiali a cambiamento di fase (PCM), materiali passivi che non necessitano dell’energia elettrica e per questo molto vantaggiosi rispetto ai sistemi di climatizzazione, che sono in grado di cambiare il loro stato fisico in base al grado di temperatura interna agli edifici: quando questi materiali assorbono calore passano infatti dallo stato solido a quello liquido, mentre quando rilasciano calore passano da quello liquido a quello solido.
Tradizionalmente, per produrre i materiali a cambiamento di fase è necessario che attorno a ciascuna particella PCM si crei un guscio, ma è difficile reperire materiali da costruzione compatibili sia con il PCM che con il guscio, e inoltre il processo produttivo riduce il numero di particelle di PCM che possono essere incorporate in tali materiali da costruzione.
Il team di ricerca della Texas A&M University, pubblicata sulla rivista scientifica Matter, ha osservato che utilizzando la cera di paraffina a cambiamento di fase mixata con della resina liquida quest’ultima funge sia come involucro che come materiale da costruzione; in questo modo le particelle PCM vengono bloccate e possono subire il cambiamento di fase, gestendo l’energia termica evitando perdite. Nell’ambito della ricerca sono state anche combinate delle resine liquide sensibili alla luce con polvere di paraffina a cambiamento di fase al fine di generare un nuovo composito di inchiostro stampabile in 3D, implementando ulteriormente il processo di produzione per la costruzione di materiali contenenti PCM.
Il risultato ottenuto è una miscela morbida e malleabile che ben si adatta alla stampa 3D che, tramite una luce ultravioletta, è stata solidificata per poter essere adattata e impiegata nelle costruzioni edili. Per testare la termoregolazione dei compositi a cambiamento di fase ottenuti è stato stampato un modello 3D di una casa in scala ridotta che è stato inserito in un forno, dimostrando che la temperatura interna aveva uno scarto del 40% rispetto a quella esterna nei cicli termici di riscaldamento e raffreddamento.
"Siamo entusiasti del potenziale del nostro materiale per mantenere gli edifici confortevoli riducendo al contempo il consumo di energia. Possiamo combinare più PCM con diverse temperature di fusione e distribuirli con precisione in varie aree di un singolo oggetto stampato per funzionare in tutte e quattro le stagioni e in tutto il mondo" ha dichiarato il Dott. Peiran Wei, ricercatore scientifico presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Soft Matter Facility, lasciando intendere che prossimamente verranno testati anche altri materiali a cambiamento di fase per ottenere performance migliori, anche con differenze di temperatura più elevate.
Viste le recenti anomalie nelle variazioni della temperatura registrate a livello globale, è chiaro come sia urgentemente necessario efficientare a livello energetico i sistemi di riscaldamento e raffreddamento al fine di ridurre il carico sulle reti elettriche già messe in situazioni di difficoltà. I tradizionali sistemi HVAC utilizzati negli edifici residenziali e commerciali per regolare la temperatura consumano infatti molta energia e inoltre utilizzano gas refrigeranti a effetto serra, e per questo motivo si sta iniziando a ricercare materiali più sostenibili e tecnologie alternative che agevolino la transizione energetica.
Il gruppo di ricerca della Texas A&M University ha cercato di individuare nuovi materiali da utilizzare sia nei nuovi edifici che in quelli già esistenti e di rendere il loro processo di produzione più semplice ed economico. Si è lavorato quindi sui materiali a cambiamento di fase (PCM), materiali passivi che non necessitano dell’energia elettrica e per questo molto vantaggiosi rispetto ai sistemi di climatizzazione, che sono in grado di cambiare il loro stato fisico in base al grado di temperatura interna agli edifici: quando questi materiali assorbono calore passano infatti dallo stato solido a quello liquido, mentre quando rilasciano calore passano da quello liquido a quello solido.
Tradizionalmente, per produrre i materiali a cambiamento di fase è necessario che attorno a ciascuna particella PCM si crei un guscio, ma è difficile reperire materiali da costruzione compatibili sia con il PCM che con il guscio, e inoltre il processo produttivo riduce il numero di particelle di PCM che possono essere incorporate in tali materiali da costruzione.
Il team di ricerca della Texas A&M University, pubblicata sulla rivista scientifica Matter, ha osservato che utilizzando la cera di paraffina a cambiamento di fase mixata con della resina liquida quest’ultima funge sia come involucro che come materiale da costruzione; in questo modo le particelle PCM vengono bloccate e possono subire il cambiamento di fase, gestendo l’energia termica evitando perdite. Nell’ambito della ricerca sono state anche combinate delle resine liquide sensibili alla luce con polvere di paraffina a cambiamento di fase al fine di generare un nuovo composito di inchiostro stampabile in 3D, implementando ulteriormente il processo di produzione per la costruzione di materiali contenenti PCM.
Il risultato ottenuto è una miscela morbida e malleabile che ben si adatta alla stampa 3D che, tramite una luce ultravioletta, è stata solidificata per poter essere adattata e impiegata nelle costruzioni edili. Per testare la termoregolazione dei compositi a cambiamento di fase ottenuti è stato stampato un modello 3D di una casa in scala ridotta che è stato inserito in un forno, dimostrando che la temperatura interna aveva uno scarto del 40% rispetto a quella esterna nei cicli termici di riscaldamento e raffreddamento.
"Siamo entusiasti del potenziale del nostro materiale per mantenere gli edifici confortevoli riducendo al contempo il consumo di energia. Possiamo combinare più PCM con diverse temperature di fusione e distribuirli con precisione in varie aree di un singolo oggetto stampato per funzionare in tutte e quattro le stagioni e in tutto il mondo" ha dichiarato il Dott. Peiran Wei, ricercatore scientifico presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Soft Matter Facility, lasciando intendere che prossimamente verranno testati anche altri materiali a cambiamento di fase per ottenere performance migliori, anche con differenze di temperatura più elevate.
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