Raffrescamento sostenibile utilizzando le fibre elastiche

Chi mai penserebbe ad utilizzare un elastico come elemento fondamentale per un sistema di raffrescamento? Probabilmente pochi, ma si tratta di una possibilità già conosciuta nel settore della refrigerazione, specialmente negli ambienti di ricerca. Un gruppo di studiosi ha pensato di approfondire le conoscenze sulle potenzialità dell’effetto elasti-calorico dei prodotti elastici, che riescono a produrre calore e rilasciarlo più o meno come accade comprimendo un fluido refrigerante all’interno di un climatizzatore o un frigorifero.
 
Gli studiosi, guidati dall’ingegnere Run Wang, laureato presso l’Università di Nankai, a Tianjin, Cina, hanno studiato la possibilità di produrre calore e raffrescamento non solo allungando un elemento elastico, ma anche arrotolandolo su sé stesso, nel tentativo di trovare una fonte energetica che permetta di raffrescare in modo sempre più sostenibile.
 
Nel corso dello studio sono state esaminate e testate le potenze di raffrescamento di vari materiali: fibre di gomma, lenze da pesca in nylon e in polietilene, fili di nichel-titanio. Per ciascuno di questi prodotti è stato prelevato un segmento di 3 centimetri, che è stato inserito in una morsa ed è stato arrotolato su sé stesso tramite l’ausilio di un utensile rotante. È stato quindi osservato che, se all’inizio le fibre si attorcigliavano, dopo poco iniziavano ad arrotolarsi sempre più su sé stesse, scaldandosi nel frattempo di diversi gradi, in alcuni casi addirittura di 15°C. Inoltre, quando alle fibre veniva lasciata la possibilità di srotolarsi, esse si raffreddavano in ugual misura.
 
Per comprendere le motivazioni fisiche che portano questi materiali a scaldarsi quando arrotolati, i ricercatori hanno analizzato la struttura molecolare di ciascun materiale utilizzando dei raggi-x estremamente luminosi. È stato così osservato che lo stress meccanico provocato dall’avvolgimento provoca una riorganizzazione delle strutture molecolari, che si attua attraverso intense vibrazioni molecolari, che provocano naturalmente un innalzamento della temperatura.
 
Ripetendo le operazioni di arrotolamento e srotolamento delle fibre all’interno di un contenitore d’acqua i ricercatori hanno potuto misurare le performance di raffrescamento di ciascun materiale. Per le fibre di gomma (ma in modo analogo anche per gli altri materiali) hanno potuto misurare uno scambio di calore pari a circa 20 joule di energia termica per grammo, cioè una quantità di energia circa 8 volte superiore a quella utilizzata per azionale l’utensile rotante.
 
Si tratta di un livello di efficienza comparabile con quello dei refrigeranti standard e doppio rispetto a quello ottenibile con il solo allungamento delle fibre, classificando questo sistema come un’alternativa “ad alte performance”, come lo ha definito Kurt Engelbrecht, un esperto di raffreddamento elasto-calorico che ha partecipato allo studio.
 
Questi risultati lasciano immaginare una possibile applicazione di questo sistema in sostituzione dei fluidi refrigeranti, dannosi per l’atmosfera e a rischio di perdite. Stando a quanto comunicato dal gruppo di studio, un sistema di raffreddamento simile, basato sull’attorcigliamento, potrebbe avere dimensioni ben più ridotte rispetto ai già diffusi sistemi ad allungamento. Un fattore da tenere in considerazione, soprattutto se si considera che per ottenere lo stesso livello di raffreddamento di una fibra di gomma attorcigliata è necessario  allungarla fino a 7 volte la sua lunghezza, lo ha spiegato Ray Baughman, co-autore dello studio e fisico dell’Università del Texas.
 
Per dare dimostrazione dell’efficacia di questo sistema, gli studiosi hanno costruito un piccolo frigorifero, delle dimensioni della cartuccia di una penna biro, alimentato da fili di nichel titanio arrotolati. Usando questo speciale metodo di produzione del calore per arrotolamento sono riusciti a raffreddare in pochi secondi un piccolo volume d’acqua di 8° C. Ora il gruppo intende mettere in azione a ciclo continuo il prototipo, alternando fasi di produzione di calore e di riscaldamento. È stato inoltre studiata la possibilità di ricoprire la superficie delle fibre con tinture sensibili alla temperature, usandole tra l’altro come estensimetri.
 
I ricercatori ritengono quindi di poter aumentare le dimensioni di questa tecnologia, portandola al punto di poter soppiantare i classici sistemi di raffreddamento che sfruttano gas refrigeranti.