I ricercatori del MIT hanno dimostrato un nuovo modo per immagazzinare il calore inutilizzato dai motori delle automobili, macchinario industriale, e anche il sole finché non è necessario. Al centro del loro sistema c'è ciò che i ricercatori chiamano un materiale "a cambiamento di fase" che assorbe una grande quantità di calore mentre si scioglie e lo rilascia mentre si risolidifica.

Una volta sciolto e attivato dalla luce ultravioletta, il materiale immagazzina il calore assorbito fino a quando un raggio di luce visibile non innesca la solidificazione e il rilascio di calore. La chiave per questo controllo sono le molecole aggiunte che rispondono alla luce cambiando forma da una che impedisce la solidificazione a una che la consente. In un esperimento di proof-of-concept, i ricercatori hanno mantenuto una miscela campione in forma liquida fino a temperatura ambiente, completamente 10 gradi Celsius al di sotto del punto in cui avrebbe dovuto solidificarsi, e poi, dopo 10 ore, utilizzato un raggio di luce per innescare la solidificazione e rilasciare l'energia termica immagazzinata.

Più della metà di tutta l'energia utilizzata per alimentare meccanica, chimico, e altri processi viene espulso nell'ambiente sotto forma di calore. Centrali elettriche, motori di automobili, e processi industriali, Per esempio, producono grandi quantità di calore ma ne utilizzano una frazione relativamente piccola per svolgere effettivamente il lavoro. E mentre la luce del sole fornisce abbondante energia radiante, gli odierni dispositivi fotovoltaici ne convertono solo una frazione in elettricità. Il resto viene riflesso o assorbito e convertito in calore che non viene utilizzato.

La sfida è trovare un modo per immagazzinare tutta quell'energia termica fino a quando non la vogliamo usare. Jeffrey Grossman, il Morton e Claire Goulder and Family Professor in Environmental Systems e professore di scienze e ingegneria dei materiali, ha lavorato su questo problema per più di un decennio.

Un buon modo per immagazzinare energia termica è utilizzare un materiale a cambiamento di fase (PCM) come la cera. Riscaldare un solido pezzo di cera, e gradualmente diventerà più caldo, fino a quando non inizierà a sciogliersi. Passando dalla fase solida a quella liquida, continuerà ad assorbire calore, ma la sua temperatura rimarrà sostanzialmente costante. Una volta che è completamente sciolto, la sua temperatura ricomincerà a salire man mano che si aggiunge più calore. Poi arriva il vantaggio. Mentre la cera liquida si raffredda, si solidificherà, e come fa, rilascerà tutto quel calore a cambiamento di fase immagazzinato, chiamato anche calore latente.

I PCM sono ora utilizzati in applicazioni come concentratori solari, impianti di riscaldamento degli edifici, e fornelli solari per le regioni remote. Ma mentre i PCM possono emettere calore abbondante, non c'è modo di controllare esattamente quando lo fanno. I tempi dipendono dalla temperatura dell'aria intorno a loro.

"Puoi caricare una batteria, e immagazzinerà l'elettricità finché non vorrai usarla, dire, nel tuo cellulare o auto elettrica, " dice Grossman. "Ma la gente deve riscaldare il fornello solare quando c'è il sole, e quando vogliono preparare la cena, potrebbe benissimo aver ceduto tutto il calore accumulato all'aria fresca della sera."

I PCM si sono quindi dimostrati un mezzo di grande successo per immagazzinare energia termica, ma recuperarlo in modo utile è rimasta una sfida. "Ciò di cui avevamo bisogno era un innesco che ci desse il controllo sui tempi del rilascio del calore, "dice Grossman.

Molecole che possono innescare

Alcuni anni fa, Grossman iniziò a chiedersi se potesse già avere il grilletto di cui aveva bisogno. Nei lavori correlati, il suo gruppo aveva studiato l'immagazzinamento di energia in speciali molecole note come fotointerruttori.

Fai brillare una certa lunghezza d'onda di luce su un fotointerruttore, e la sua forma cambierà. Gli stessi atomi sono presenti, ma il loro orientamento l'uno rispetto all'altro cambia. Inoltre, rimarranno in quella configurazione modificata finché non saranno esposti a un'altra lunghezza d'onda della luce. Poi torneranno alla loro forma originale, rilasciando energia termica nel processo.

Il gruppo di Grossman ha compiuto buoni progressi nella progettazione di fotointerruttori per l'accumulo di energia, ma le molecole hanno una limitazione fondamentale:possono essere commutate nella loro configurazione di immagazzinamento di energia solo dalla luce. Di conseguenza, non possono essere caricati utilizzando il calore disperso da automobili o altre macchine o la luce del sole.

Così Grossman e gli ex postdoc Grace Han e Huashan Li del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali hanno iniziato a esaminare la possibilità di utilizzare un fotointerruttore in un modo nuovo, come un innesco per controllare il rilascio di energia da un materiale a cambiamento di fase.

"Potremmo adattare la sua chimica in modo che corrisponda molto bene al materiale a cambiamento di fase quando è in una forma, ma quando lo cambiamo, non corrisponde più, " spiega Grossman.

Se miscelato con un PCM fuso nella forma non corrispondente, il fotointerruttore gli avrebbe impedito di diventare solido, anche al di sotto della sua normale temperatura di solidificazione. Far brillare una diversa lunghezza d'onda della luce potrebbe riportare il fotointerruttore alla sua struttura corrispondente. Il PCM si solidificherebbe quindi, liberando il suo calore latente immagazzinato.

Test di prova

Per esplorare la fattibilità di tale approccio, i ricercatori hanno utilizzato un PCM convenzionale chiamato acido tridecanoico e hanno preparato una variazione speciale della molecola del fotointerruttore azobenzene, che consiste di due anelli collegati di atomi che possono trovarsi in posizioni diverse l'uno rispetto all'altro.

Nella forma "trans" della molecola, gli anelli sono piatti, il suo stato fondamentale naturale. Nella sua forma "cis", uno degli anelli benzenici è inclinato di 56 gradi rispetto all'altro, dicono i ricercatori. Passa da una forma all'altra in risposta alla luce. Illumina la luce ultravioletta (UV) sulla versione piatta, e girerà. Fai brillare la luce visibile sulla versione contorta, e si appiattirà.

La Figura 1 nella presentazione sopra mostra ciò che Grossman chiama ciclo di accumulo e rilascio di energia termica e illustra il ruolo svolto dal fotointerruttore azobenzene come "drogante" a bassa concentrazione (un materiale aggiunto per alterare le proprietà di una sostanza). Quando la miscela PCM-azobenzene, o composto, è solido con l'azobenzene nella sua forma trans, i due componenti si impacchettano strettamente. Quando riscaldato, il composito assorbe energia termica, e il PCM si scioglie. Lo zapping con la luce UV cambia il drogante azobenzenico da trans a cis. Quando quella miscela si raffredda, il cis azobenzene impedisce la solidificazione del PCM, quindi il calore latente rimane immagazzinato. L'illuminazione con luce visibile riporta l'azobenzene alla sua forma trasformata. La miscela può ora solidificarsi, rilasciando il suo calore latente immagazzinato nel processo.

Una serie di test ha dimostrato che il loro sistema funzionava bene. Far brillare una lampada ultravioletta (a una lunghezza d'onda di 365 nanonometri) sulla miscela liquida ha cambiato la maggior parte delle molecole di azobenzene trans di partenza nella loro forma cis. Una volta caricato, la miscela non si è solidificata nemmeno a temperatura ambiente, completamente 10 gradi Celsius al di sotto di quella che sarebbe stata senza i fotointerruttori carichi nel mix.

L'illuminazione del liquido con luce visibile (450 nm) per 30 secondi ha attivato la solidificazione e il rilascio del calore latente immagazzinato. Inoltre, essenzialmente tutto il calore latente è uscito - poco o niente di esso era stato perso a causa di perdite. "Con gli interruttori aggiunti, l'energia termica è bloccata, " dice Grossman. "Di conseguenza, potrebbe essere meno necessario l'isolamento pesante utilizzato per impedire la fuoriuscita di calore dai PCM convenzionali".

Quando i ricercatori non hanno puntato la luce visibile sulla loro miscela, hanno scoperto che è rimasto un liquido a temperature inferiori al suo punto di solidificazione originale per 10 ore. La miscela poi ha cominciato gradualmente a solidificarsi, cedendo il suo calore immagazzinato.

Per dimostrare la durata e la ripetibilità del sistema, i ricercatori l'hanno cambiata avanti e indietro, tra la carica e la scarica, 100 volte in più di 50 ore. Durante la fase di scarico iniziale, la cristallinità del PCM è leggermente cambiata rispetto al materiale di partenza, ma dopo, la sua struttura è rimasta invariata.

Altri test hanno confermato l'importanza di selezionare o progettare con cura un fotointerruttore che interagisca efficacemente con un PCM specifico. Ancora, il fotointerruttore deve mescolarsi bene con il PCM liquido per formare il composito e deve cambiare, quando attivato dalla luce, tra due strutture distinte che si fondono con o interferiscono con l'impaccamento del PCM selezionato. I ricercatori hanno anche scoperto che l'ottimizzazione della concentrazione del fotointerruttore nel PCM è fondamentale. Quando è troppo basso, non interferirà con la solidificazione. Quando è troppo alto, la luce ultravioletta potrebbe non penetrare completamente nella miscela, e le molecole droganti possono reagire tra loro, raggrupparsi piuttosto che distribuirsi bene e prevenire l'imballaggio del PCM.

Nozioni di base di un dispositivo pratico

Grossman sottolinea che il lavoro finora è una prova di principio. "C'è molto lavoro da fare per realizzare applicazioni basate su questo concetto, " lui dice.

Ma i ricercatori prevedono il seguente tipo di dispositivo:la miscela sarebbe contenuta in un contenitore con finestre che potrebbero essere coperte per controllare l'assunzione di luce. Uno scambiatore di calore fornirebbe energia termica dal sole o da un'altra fonte al composito PCM, e un LED separato o una lampada a scarica di gas invierebbe simultaneamente luce UV attraverso le finestre scoperte per caricare il drogante azobenzenico. Le finestre sarebbero poi coperte per consentire l'accumulo termico, anche se la miscela è scesa a temperatura ambiente.

Quando si desidera il rilascio di calore, le finestre sarebbero scoperte, e il composito liquido sarebbe esposto alla luce ambientale o alla luce LED blu per una risposta più rapida. Le finestre sarebbero in comune vetro borosilicato, che trasmetterebbe oltre il 90 percento della relativa luce UV e visibile, e un agitatore all'interno del contenitore aiuterebbe a evitare che le molecole di azobenzene si attacchino tra loro.

Film, perline, e materiali diversi

Il gruppo di Grossman continua a lavorare per applicare e migliorare il concetto di accumulo termico. Per esempio, stanno esaminando il suo possibile utilizzo come nuovo sistema per lo sbrinamento, un argomento di continuo interesse per Grossman, che osserva che le auto elettriche di oggi consumano così tanta batteria per lo sbrinamento e il riscaldamento che la loro autonomia può diminuire del 30% durante la stagione fredda. Un approccio molto migliore sarebbe quello di immagazzinare energia termica in un sottile, pellicola trasparente e innescare un'esplosione di calore quando è necessario per sciogliere quel fastidioso strato di ghiaccio.

"Con quello in mente, volevamo vedere se potevamo fare film sottili del nostro materiale su aree più grandi e farlo esibire gli stessi comportamenti che abbiamo visto nei nostri campioni di laboratorio, " dice Grossman. Hanno depositato il loro composito PCM liquido su una lastra di vetro, metti un altro foglio sopra, e sigillato. Hanno scoperto che potevano caricare la miscela con luce UV e poi scaricarla in seguito con luce visibile, recuperare l'energia di cambiamento di fase immagazzinata sotto forma di calore. Inoltre, potevano farlo selettivamente in modo che parte del film si solidificasse e il resto rimanesse liquido.

Altro lavoro si concentra sulla progettazione di un fornello solare in grado di immagazzinare calore dopo il tramonto del sole per più dei 10 minuti tipici dei migliori modelli di oggi, che si affidano ancora ai PCM convenzionali per l'archiviazione. Un composito PCM potrebbe fare di meglio, tranne per un inconveniente:quando passa da solido a liquido, cambia anche di volume, potenzialmente abbastanza da danneggiare il contenitore.

Per prevenire quel comportamento, Cédric Viry, uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali e un membro del Tata Center for Technology and Design, sta lavorando per incapsulare il composito all'interno di minuscole perline con gusci di silice o carbonato di calcio. Il composito confinato subirà i necessari cambiamenti di fase, ma il forte guscio limiterà il massiccio cambiamento di volume che si verifica in una miscela non confinata. Le perle incapsulate potrebbero essere sospese in altri liquidi, e potrebbero essere possibili metodi migliori per fornire luce nei materiali. "Una volta che il microincapsulamento funziona, ci saranno molte più applicazioni, "dice Grossman.

Finalmente, i ricercatori stanno estendendo il loro concetto a diversi materiali e intervalli di temperatura. "Abbiamo scoperto alcuni aspetti tecnici interessanti e importanti di come funziona il sistema, " dice Grossman. "In particolare, come interagiscono i PCM e i fotointerruttori a livello molecolare".

Questa comprensione fondamentale ha già permesso loro di sviluppare sistemi che utilizzano PCM con diverse strutture molecolari, in particolare, con catene anziché anelli di atomi, insieme a fotocellule ottimizzate per ciascuno di essi. Nel futuro, Grossman ritiene che dovrebbero essere in grado di sviluppare sistemi in grado di immagazzinare più energia termica e in grado di funzionare a una varietà di intervalli di temperatura, comprese le basse temperature di interesse per le applicazioni biomediche ed elettroniche.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.