Man mano che il mondo diventa più caldo, si prevede che l'uso di sistemi di condizionamento dell'aria assetati di energia aumenterà in modo significativo, mettendo a dura prova le reti elettriche esistenti e bypassando molte località con poca o nessuna energia elettrica affidabile. Ora, un sistema innovativo sviluppato al MIT offre un modo per utilizzare il raffreddamento passivo per preservare le colture alimentari e integrare i condizionatori d'aria convenzionali negli edifici, senza bisogno di energia e solo una piccola necessità di acqua.

Il sistema, che combina raffreddamento radiativo, raffreddamento evaporativo e isolamento termico in un pacchetto sottile che potrebbe assomigliare ai pannelli solari esistenti, può fornire fino a circa 19 gradi Fahrenheit (9,3 gradi Celsius) di raffreddamento dalla temperatura ambiente, sufficiente per consentire alimenti sicuri conservazione per circa il 40 percento in più in condizioni molto umide. Potrebbe triplicare il tempo di conservazione sicuro in condizioni di asciugatura.

I risultati sono riportati sulla rivista Cell Reports Physical Science , in un articolo del postdoc del MIT Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, i professori Jeffrey Grossman ed Evelyn Wang, e altri due. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per ridurre il costo di un componente chiave del sistema, i ricercatori affermano che alla fine un tale sistema potrebbe svolgere un ruolo significativo nel soddisfare le esigenze di raffreddamento di molte parti del mondo in cui la mancanza di elettricità o l'acqua limita l'uso dei sistemi di raffreddamento convenzionali.

Il sistema combina in modo intelligente i precedenti progetti di raffreddamento autonomo, ciascuno dei quali fornisce quantità limitate di potenza di raffreddamento, al fine di produrre un raffreddamento significativamente maggiore nel complesso, abbastanza da aiutare a ridurre le perdite di cibo dovute al deterioramento in parti del mondo che già soffrono di scorte alimentari limitate. In riconoscimento di tale potenziale, il team di ricerca è stato in parte supportato da Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab del MIT.

"Questa tecnologia combina alcune delle buone caratteristiche delle tecnologie precedenti come il raffreddamento evaporativo e il raffreddamento radiativo", afferma Lu. Utilizzando questa combinazione, afferma, "dimostriamo che è possibile ottenere una significativa estensione della vita degli alimenti, anche in aree con elevata umidità", il che limita le capacità dei tradizionali sistemi di raffreddamento evaporativo o radiativo.

Nei luoghi in cui sono presenti sistemi di condizionamento dell'aria negli edifici, il nuovo sistema potrebbe essere utilizzato per ridurre significativamente il carico su questi sistemi inviando acqua fredda alla parte più calda del sistema, il condensatore. "Riducendo la temperatura del condensatore, puoi aumentare efficacemente l'efficienza del condizionatore d'aria, in modo da poter potenzialmente risparmiare energia", afferma Lu.

Anche altri gruppi hanno perseguito tecnologie di raffreddamento passivo, dice, ma "combinando queste caratteristiche in modo sinergico, ora siamo in grado di ottenere prestazioni di raffreddamento elevate, anche in aree ad alta umidità dove la tecnologia precedente generalmente non può funzionare bene".

Il sistema è costituito da tre strati di materiale, che insieme forniscono raffreddamento quando l'acqua e il calore passano attraverso il dispositivo. In pratica, il dispositivo potrebbe assomigliare a un pannello solare convenzionale, ma invece di erogare elettricità, fornirebbe direttamente il raffreddamento, ad esempio fungendo da tetto di un contenitore per la conservazione degli alimenti. Oppure, potrebbe essere utilizzato per inviare acqua refrigerata attraverso i tubi per raffreddare parti di un sistema di condizionamento dell'aria esistente e migliorarne l'efficienza. L'unica manutenzione richiesta è l'aggiunta di acqua per l'evaporazione, ma il consumo è così basso che questa operazione deve essere eseguita solo una volta ogni quattro giorni nelle zone più calde e secche, e solo una volta al mese nelle zone più umide.

Lo strato superiore è un aerogel, un materiale costituito principalmente da aria racchiusa nelle cavità di una struttura spugnosa in polietilene. Il materiale è altamente isolante ma lascia passare liberamente sia il vapore acqueo che la radiazione infrarossa. L'evaporazione dell'acqua (che sale dallo strato sottostante) fornisce parte della potenza di raffreddamento, mentre la radiazione infrarossa, sfruttando l'estrema trasparenza dell'atmosfera terrestre a quelle lunghezze d'onda, irradia parte del calore verso l'alto attraverso l'aria e nello spazio —a differenza dei condizionatori d'aria, che emettono aria calda nell'ambiente circostante.

Sotto l'aerogel c'è uno strato di idrogel, un altro materiale simile a una spugna, ma i cui spazi dei pori si riempiono di acqua anziché di aria. È simile al materiale attualmente utilizzato in commercio per prodotti come cuscinetti di raffreddamento o medicazioni per ferite. Ciò fornisce la fonte d'acqua per il raffreddamento evaporativo, poiché il vapore acqueo si forma sulla sua superficie e il vapore sale attraverso lo strato di aerogel e fuoriesce nell'ambiente.

Al di sotto, uno strato a specchio riflette l'eventuale luce solare in entrata che lo ha raggiunto, rimandandolo indietro attraverso il dispositivo piuttosto che lasciarlo riscaldare i materiali e ridurre così il loro carico termico. E lo strato superiore di aerogel, essendo un buon isolante, è anche altamente riflettente solare, limitando la quantità di riscaldamento solare del dispositivo, anche in presenza di una forte luce solare diretta.

"La novità qui sta proprio nel riunire in un'unica architettura la funzione di raffreddamento radiativo, la funzione di raffreddamento evaporativo e anche la caratteristica di isolamento termico", spiega Lu. Il sistema è stato testato, utilizzando una versione piccola, di appena 4 pollici di diametro, sul tetto di un edificio del MIT, dimostrando la sua efficacia anche in condizioni meteorologiche non ottimali, afferma Lu, e raggiungendo 9,3 °C di raffreddamento (18,7 °F).

"La sfida in precedenza era che i materiali evaporativi spesso non affrontano bene l'assorbimento solare", afferma Lu. "Con questi altri materiali, di solito quando sono sotto il sole, si riscaldano, quindi non sono in grado di raggiungere un'elevata potenza di raffreddamento a temperatura ambiente."

Le proprietà del materiale dell'aerogel sono una chiave per l'efficienza complessiva del sistema, ma quel materiale al momento è costoso da produrre, poiché richiede attrezzature speciali per l'essiccazione a punti critici (CPD) per rimuovere lentamente i solventi dalla delicata struttura porosa senza danneggiarla. La caratteristica chiave che deve essere controllata per fornire le caratteristiche desiderate è la dimensione dei pori nell'aerogel, che si ottiene mescolando il materiale in polietilene con solventi, facendolo solidificare come una ciotola di gelatina, e quindi ottenendo il solventi da esso. Il team di ricerca sta attualmente esplorando modi per rendere questo processo di essiccazione più economico, ad esempio utilizzando la liofilizzazione, o trovare materiali alternativi in ​​grado di fornire la stessa funzione isolante a costi inferiori, come membrane separate da un traferro.

Mentre gli altri materiali utilizzati nel sistema sono prontamente disponibili e relativamente poco costosi, Lu dice, "l'aerogel è l'unico materiale che è un prodotto del laboratorio che richiede un ulteriore sviluppo in termini di produzione di massa". Ed è impossibile prevedere quanto tempo potrebbe richiedere lo sviluppo prima che questo sistema possa essere reso pratico per un uso diffuso, afferma.

Il team di ricerca comprendeva Lenan Zhang del Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT e Jatin Patil del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali. + Esplora ulteriormente

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