I ricercatori del MIT hanno escogitato un nuovo modo di fornire raffreddamento in una calda giornata di sole, utilizzando materiali poco costosi e non richiedendo energia generata da combustibili fossili. Il sistema passivo che potrebbe essere utilizzato per integrare altri sistemi di raffreddamento per conservare alimenti e farmaci in ambienti caldi, posizioni fuori rete, è essenzialmente una versione high-tech di un parasole.

Il sistema consente l'emissione di calore nel raggio di luce del medio infrarosso che può passare direttamente attraverso l'atmosfera e irradiarsi nel freddo dello spazio esterno, perforando i gas che agiscono come una serra. Per evitare il riscaldamento alla luce diretta del sole, una piccola striscia di metallo sospesa sopra il dispositivo blocca i raggi diretti del sole.

Il nuovo sistema è descritto questa settimana sul giornale Comunicazioni sulla natura in un articolo del ricercatore Bikram Bhatia, studente laureato Arny Leroy, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, professore di fisica Marin Soljacic, e altri sei al MIT.

In teoria, il sistema che hanno progettato potrebbe fornire un raffreddamento fino a 20 gradi Celsius (36 gradi Fahrenheit) al di sotto della temperatura ambiente in un luogo come Boston, dicono i ricercatori. Finora, nei loro primi test di prova del concetto, hanno raggiunto un raffreddamento di 6 C (circa 11 F). Per applicazioni che richiedono un raffreddamento ancora maggiore, il resto potrebbe essere ottenuto attraverso sistemi di refrigerazione convenzionali o raffreddamento termoelettrico.

Altri gruppi hanno tentato di progettare sistemi di raffreddamento passivo che irradiano calore sotto forma di lunghezze d'onda della luce nel medio infrarosso, ma questi sistemi sono stati basati su dispositivi fotonici ingegnerizzati complessi che possono essere costosi da realizzare e non prontamente disponibili per un uso diffuso, dicono i ricercatori. I dispositivi sono complessi perché sono progettati per riflettere quasi perfettamente tutte le lunghezze d'onda della luce solare, e solo per emettere radiazioni nella gamma del medio infrarosso, per la maggior parte. Questa combinazione di riflettività selettiva ed emissività richiede un materiale multistrato in cui gli spessori degli strati sono controllati con precisione nanometrica.

Ma si scopre che una selettività simile può essere ottenuta semplicemente bloccando la luce solare diretta con una striscia stretta posizionata ad angolo retto per coprire il percorso del sole attraverso il cielo, che non richiede tracciamento attivo da parte del dispositivo. Quindi, un semplice dispositivo costruito da una combinazione di film plastico economico, alluminio lucidato, vernice bianca, e l'isolamento può consentire la necessaria emissione di calore attraverso la radiazione del medio infrarosso, che è il modo in cui la maggior parte degli oggetti naturali si raffredda, evitando che il dispositivo venga riscaldato dalla luce solare diretta. Infatti, semplici sistemi di raffrescamento radiativo sono stati utilizzati fin dall'antichità per ottenere il raffrescamento notturno; il problema era che tali sistemi non funzionavano di giorno perché l'effetto di riscaldamento della luce solare era almeno 10 volte più forte del massimo effetto di raffreddamento ottenibile.

Ma i raggi di riscaldamento del sole viaggiano in linea retta e sono facilmente bloccati, come sperimentiamo, Per esempio, entrando all'ombra di un albero in una giornata calda. Ombreggiando il dispositivo essenzialmente mettendoci sopra un ombrello, e integrandolo con un isolamento intorno al dispositivo per proteggerlo dalla temperatura dell'aria ambiente, i ricercatori hanno reso più praticabile il raffreddamento passivo.

"Abbiamo costruito la configurazione e fatto esperimenti all'aperto su un tetto del MIT, " Dice Bhatia. "È stato fatto utilizzando materiali molto semplici" e ha mostrato chiaramente l'efficacia del sistema.

"È un po' ingannevolmente semplice, " Dice Wang. "Avendo un'ombra separata e un emettitore nell'atmosfera, due componenti separati che possono essere relativamente economici, il sistema non richiede una capacità speciale di emettere e assorbire selettivamente. Usiamo la selettività angolare per consentire di bloccare il sole diretto, mentre continuiamo a emettere le lunghezze d'onda che trasportano calore verso il cielo."

Questo progetto "ci ha ispirato a ripensare all'uso dell' ombra, '" dice Yichen Shen, un affiliato di ricerca e co-autore del documento. "Nel passato, le persone hanno solo pensato di usarlo per ridurre il riscaldamento. Ma ora, sappiamo se l'ombra viene utilizzata in modo intelligente insieme a un filtraggio della luce di supporto, può essere effettivamente utilizzato per raffreddare l'oggetto, " lui dice.

Un fattore limitante per il sistema è l'umidità nell'atmosfera, Leroy dice, che può bloccare parte dell'emissione infrarossa attraverso l'aria. In un posto come Boston, vicino all'oceano e relativamente umido, questo limita la quantità totale di raffreddamento che può essere ottenuta, limitandolo a circa 20 gradi Celsius. Ma in ambienti più asciutti, come gli Stati Uniti sudoccidentali o molti ambienti desertici o aridi in tutto il mondo, il massimo raffreddamento ottenibile potrebbe effettivamente essere molto maggiore, fa notare, potenzialmente fino a 40 C (72 F).

Sebbene la maggior parte della ricerca sul raffreddamento radiativo si sia concentrata su sistemi più grandi che potrebbero essere applicati per raffreddare interi ambienti o edifici, questo approccio è più localizzato, Wang afferma:"Sarebbe utile per le applicazioni di refrigerazione, come la conservazione degli alimenti o i vaccini". proteggere vaccini e altri medicinali dal deterioramento in ambienti caldi, le condizioni tropicali è stata una delle principali sfide in corso che questa tecnologia potrebbe essere ben posizionata per affrontare.

Anche se il sistema non fosse sufficiente per abbassare la temperatura fino ai livelli necessari, "potrebbe almeno ridurre i carichi" sugli impianti di refrigerazione elettrica, per fornire solo l'ultimo bit di raffreddamento, dice Wang.

Il sistema potrebbe essere utile anche per alcuni tipi di impianti fotovoltaici a concentrazione, dove gli specchi vengono utilizzati per focalizzare la luce solare su una cella solare per aumentarne l'efficienza. Ma tali sistemi possono facilmente surriscaldarsi e generalmente richiedono una gestione termica attiva con fluidi e pompe. Anziché, la parte posteriore di tali sistemi di concentrazione potrebbe essere dotata delle superfici emissive del medio infrarosso utilizzate nel sistema di raffreddamento passivo, e potrebbe controllare il riscaldamento senza alcun intervento attivo.

Mentre continuano a lavorare per migliorare il sistema, la sfida più grande è trovare modi per migliorare l'isolamento del dispositivo, per evitare che si surriscaldi troppo dall'aria circostante, pur non bloccando la sua capacità di irradiare calore. "La sfida principale è trovare materiale isolante che sia trasparente agli infrarossi, "dice Leroy.

Il team ha richiesto i brevetti sull'invenzione e spera che possa iniziare a trovare applicazioni nel mondo reale abbastanza rapidamente.

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.