Il cambiamento climatico sta portando a temperature e aridità sempre più elevate in molte aree, rendere sempre più importante il raffreddamento efficiente degli ambienti. Uno studente di dottorato dell'ETH presso il Functional Materials Laboratory ha sviluppato un'alternativa al condizionamento dell'aria alimentato elettricamente:una cortina di raffreddamento costituita da una membrana porosa a triplo strato.

Tutto è iniziato con una vaga idea:"Abbiamo pensato che sarebbe stato interessante combinare funzioni opposte in un unico materiale, "dice Mario Stucki, uno studente di dottorato presso il Laboratorio di materiali funzionali dell'ETH di Zurigo. Ha combinato due strati di poliuretano idrofobo (idrorepellente) con uno strato intermedio di polimero idrofilo (che attira l'acqua). La membrana risultante si sente asciutta, anche se è saturo di acqua, e poiché gli strati esterni sono ricoperti da fori di circa un micrometro di diametro, l'acqua può fuoriuscire dallo strato intermedio nell'ambiente.

Un'alternativa per le zone colpite dal caldo

Quando Stucki si rese conto di quanto bene funzionasse il trasporto dell'acqua attraverso i vari strati, ha avuto l'idea della cortina di raffreddamento. "L'evaporazione dell'acqua richiede molta energia, " dice. "Il calore viene estratto dall'aria, raffredda e allo stesso tempo umidifica l'ambiente circostante." Gli umidificatori convenzionali funzionano allo stesso modo, ma necessitano di molta potenza, mentre il sistema di Stucki è passivo. "La luce del sole che cade attraverso una finestra sulla tenda fornisce energia sufficiente per questo tipo di aria condizionata."

Tali tende potrebbero essere una vera benedizione nelle regioni calde e aride. Nel 2015, le persone nella penisola arabica hanno sopportato un'ondata di caldo con temperature superiori a 50°C. Gli scienziati del clima prevedono temperature ancora più elevate e grave aridità per le regioni desertiche, che potrebbe portare a determinate zone climatiche diventare inabitabili. Il raffrescamento di edifici e ambienti diventa quindi sempre più indispensabile, ma divora grandi quantità di elettricità. Negli Stati Uniti, Per esempio, circa il 15% del consumo energetico può essere attribuito alle apparecchiature di condizionamento dell'aria, e un'enorme quantità di questa energia proviene dai combustibili fossili. La cortina di raffreddamento passivo sarebbe un'alternativa ecologica e rispettosa del clima.

Ulteriore sviluppo di una precedente innovazione

Stucki ha attirato l'attenzione nel 2013 con la sua tesi di master all'ETH di Zurigo, quando ha sviluppato in poco tempo un nuovo materiale per l'esterno. A differenza dei tradizionali tessuti funzionali, non contiene composti del fluoro, che sono dannosi per l'ambiente e la salute umana.

La sua ricerca attuale si avvale di tale invenzione:ha funzionalizzato il suo tessuto utilizzando segnaposto, per cui ha mescolato minuscole particelle di pietra calcarea nel polimero liquido, che viene poi trasformato nel tessuto. Le particelle di calcare vengono quindi rimosse dal materiale solido con acido cloridrico o acetico, in modo che si formino minuscoli fori nei siti delle nanoparticelle. Questi sono necessari affinché il materiale funzioni e "respiri". Le pareti esterne della cortina di raffreddamento sono realizzate con questo materiale poroso in modo che lo strato idrofilo intermedio possa fornire acqua all'area circostante.

Stucki ha utilizzato un metodo sviluppato nel 2012 dal professore dell'ETH Wendelin Stark e dal suo gruppo per combinare i diversi strati in un unico materiale. Questi strati non sono incollati insieme, come è consuetudine nei processi industriali; Invece, sono posti uno sopra l'altro in un solvente adatto, per cui gli strati esterni si dissolvono leggermente e si collegano allo strato intermedio. Questo è l'unico modo in cui i ricercatori possono garantire che il materiale esterno della membrana rimanga poroso.

Un proof of concept di successo

Stucki è stato in grado di dimostrare sperimentalmente la funzionalità di base della tenda di raffreddamento. Ha messo la membrana a triplo strato in un bagno d'acqua e ha misurato la perdita d'acqua nell'area circostante a 30°C e 50 percento di umidità (tra 1,2 kg e 1,7 kg di acqua al giorno e metro quadrato). I ricercatori hanno calcolato i risultati sulla base di una casa cubica con una lunghezza del muro di 10 m. Con una temperatura esterna di 40°C e una temperatura interna di 30°C, la superficie della tenda di 80 mq era sufficiente a dissipare più calore di quello fornito dalla luce solare, il che significa che la casa è stata raffreddata passivamente.

"Siamo stati in grado di dimostrare che il nostro sistema funziona fondamentalmente, "dice Stucki, "ma per commercializzarlo, abbiamo ancora molte domande da risolvere." Ad esempio, hanno bisogno di determinare come il materiale si comporta microbiologicamente, poiché le alte temperature e l'umidità costituiscono il terreno fertile ideale per la crescita di batteri e funghi. Stucki dice, però, che il materiale sintetico utilizzato per lo strato esterno potrebbe essere sostituito con relativa facilità con materiali antisettici; questo è uno dei vantaggi della funzionalizzazione con nanoparticelle di pietra calcarea.

Un'ulteriore sfida è garantire che la cortina sia in grado di far evaporare l'acqua su tutta la superficie, che richiederanno miglioramenti al trasporto dell'acqua nella membrana. Inoltre, non è ancora chiaro per quanto tempo la membrana possa funzionare stabilmente.

Dopo aver completato il suo dottorato in estate, Stuck si concentrerà sulla commercializzazione di tessuti per esterni privi di fluoro. Attualmente è alla ricerca di partner finanziari. Però, non ha escluso la possibilità che la nuova membrana abbia potenzialità anche nel settore outdoor, poiché è ideale per la regolazione e la rimozione del sudore, una delle proprietà più importanti dei tessuti funzionali.