Immagina un dispositivo che può stare all'aperto sotto la luce del sole cocente in una giornata limpida, e senza utilizzare alcun potere raffreddare le cose di oltre 23 gradi Fahrenheit (13 gradi Celsius). Sembra quasi magia, ma un nuovo sistema progettato dai ricercatori del MIT e in Cile può fare esattamente questo.

Il dispositivo, che non ha parti in movimento, funziona mediante un processo chiamato raffreddamento radiativo. Blocca la luce solare in entrata per evitare che si scaldi, e allo stesso tempo irradia efficacemente luce infrarossa, che è essenzialmente calore, che passa direttamente nel cielo e nello spazio, raffreddare il dispositivo notevolmente al di sotto della temperatura dell'aria ambiente.

La chiave per il funzionamento di questo semplice, sistema economico è un tipo speciale di isolamento, fatto di una schiuma di polietilene chiamata aerogel. Questo materiale leggero, che sembra e si sente un po' come marshmallow, blocca e riflette i raggi visibili della luce solare in modo che non penetrino attraverso di essa. Ma è altamente trasparente ai raggi infrarossi che trasportano il calore, permettendo loro di passare liberamente verso l'esterno.

Il nuovo sistema è descritto oggi in un articolo sulla rivista Progressi scientifici , dallo studente laureato del MIT Arny Leroy, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, e altri sette al MIT e alla Pontificia Università Cattolica del Cile.

Un tale sistema potrebbe essere utilizzato, Per esempio, come un modo per evitare che frutta e verdura si rovinino, potenzialmente raddoppiando il tempo in cui il prodotto può rimanere fresco, in luoghi remoti dove non è disponibile un'alimentazione affidabile per la refrigerazione, Leroy spiega.

Ridurre al minimo il guadagno di calore

Il raffreddamento radiativo è semplicemente il processo principale utilizzato dalla maggior parte degli oggetti caldi per raffreddarsi. Emettono radiazioni infrarosse di fascia media, che trasporta l'energia termica dall'oggetto direttamente nello spazio perché l'aria è altamente trasparente alla luce infrarossa.

Il nuovo dispositivo si basa su un concetto che Wang e altri hanno dimostrato un anno fa, che utilizzava anche il raffreddamento radiativo ma impiegava una barriera fisica, una sottile striscia di metallo, per proteggere il dispositivo dalla luce solare diretta per evitare che si surriscaldi. Quel dispositivo ha funzionato, ma ha fornito meno della metà della potenza di raffreddamento che il nuovo sistema raggiunge grazie al suo strato isolante altamente efficiente.

"Il grosso problema era l'isolamento, " Spiega Leroy. Il maggiore apporto di calore che impediva al dispositivo precedente di ottenere un raffreddamento più profondo proveniva dal calore dell'aria circostante. "Come si mantiene fredda la superficie pur consentendole di irradiarsi?" si chiedeva. Il problema è che quasi tutti i materiali isolanti sono anche molto efficaci nel bloccare la luce infrarossa e quindi interferirebbero con l'effetto di raffreddamento radiativo.

Ci sono state molte ricerche sui modi per ridurre al minimo la perdita di calore, dice Wang, chi è il professore di ingegneria meccanica Gail E. Kendall. Ma questo è un problema diverso che ha ricevuto molta meno attenzione:come ridurre al minimo l'aumento di calore. "È un problema molto difficile, " lei dice.

La soluzione è arrivata attraverso lo sviluppo di un nuovo tipo di aerogel. Gli aerogel sono materiali leggeri costituiti principalmente da aria e forniscono un ottimo isolamento termico, con una struttura costituita da microscopiche formazioni schiumose di qualche materiale. La nuova intuizione del team è stata quella di realizzare un aerogel in polietilene, il materiale utilizzato in molti sacchetti di plastica. Il risultato è un morbido, morbidosi, materiale bianco così leggero che un dato volume pesa solo 1/50 dell'acqua.

La chiave del suo successo è che mentre blocca più del 90 percento della luce solare in entrata, proteggendo così la superficie sottostante dal riscaldamento, è molto trasparente alla luce infrarossa, permettendo a circa l'80% dei raggi di calore di passare liberamente verso l'esterno. "Eravamo molto emozionati quando abbiamo visto questo materiale, "dice Leroy.

Il risultato è che può raffreddare notevolmente un piatto, fatto di un materiale come metallo o ceramica, posto al di sotto dello strato isolante, che viene indicato come emettitore. Quel piatto potrebbe quindi raffreddare un contenitore ad esso collegato, o liquido freddo che passa attraverso le bobine a contatto con esso, per fornire raffreddamento per prodotti o aria o acqua.

Mettere alla prova il dispositivo

Per testare le loro previsioni sulla sua efficacia, il team insieme ai suoi collaboratori cileni ha creato un dispositivo di prova nel deserto di Atacama in Cile, parti delle quali sono le terre più aride della Terra. Non ricevono praticamente precipitazioni, ancora, essendo proprio sull'equatore, ricevono una luce solare accecante che potrebbe mettere a dura prova il dispositivo. Il dispositivo ha raggiunto un raffreddamento di 13 gradi Celsius sotto la piena luce solare a mezzogiorno solare. Test simili nel campus del MIT a Cambridge, Massachusetts, raggiunto poco meno di 10 gradi di raffreddamento.

È abbastanza raffreddamento per fare una differenza significativa nella conservazione dei prodotti in luoghi remoti, dicono i ricercatori. Inoltre, potrebbe essere utilizzato per fornire una fase di raffreddamento iniziale per la refrigerazione elettrica, riducendo così al minimo il carico su tali sistemi per consentire loro di operare in modo più efficiente con meno energia.

Teoricamente, un tale dispositivo potrebbe ottenere una riduzione della temperatura fino a 50 C, dicono i ricercatori, quindi stanno continuando a lavorare su modi per ottimizzare ulteriormente il sistema in modo che possa essere esteso ad altre applicazioni di raffreddamento come la climatizzazione degli edifici senza la necessità di alcuna fonte di alimentazione. Il raffreddamento radiativo è già stato integrato con alcuni sistemi di condizionamento esistenti per migliorarne l'efficienza.

Già, anche se, hanno raggiunto una maggiore quantità di raffreddamento sotto la luce solare diretta rispetto a qualsiasi altro passivo, sistemi radiativi diversi da quelli che utilizzano un sistema sottovuoto per l'isolamento, che è molto efficace ma anche pesante, caro, e fragile.

Questo approccio potrebbe anche essere un'aggiunta a basso costo a qualsiasi altro tipo di sistema di raffreddamento, fornendo ulteriore raffreddamento per integrare un sistema più convenzionale. "Qualunque sistema tu abbia, "Leroy dice, "mettici sopra l'aerogel, e otterrai prestazioni molto migliori."

Pietro Bermel, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University, chi non era coinvolto in questo lavoro, dice, "Il principale vantaggio potenziale dell'aerogel in polietilene presentato qui potrebbe essere la sua relativa compattezza e semplicità, rispetto a una serie di esperimenti precedenti."

Aggiunge, "Potrebbe essere utile confrontare quantitativamente e contrapporre questo metodo con alcune alternative, come i film di polietilene e il bloccaggio selettivo dell'angolo in termini di prestazioni (ad es. variazione di temperatura), costo, e peso per unità di superficie. … Il vantaggio pratico potrebbe essere significativo se il confronto fosse eseguito e il compromesso costi/benefici favorisse significativamente questi aerogel."