I marciapiedi sono una superficie urbana abbondante, copre circa il 40% delle città americane. Ma oltre a trasportare traffico, possono anche emettere calore.

A causa del cosiddetto effetto isola di calore urbana, densamente costruito, le superfici impermeabili come i marciapiedi possono assorbire la radiazione solare e riscaldare l'ambiente circostante riemettendo tale radiazione sotto forma di calore. Questo fenomeno rappresenta una seria minaccia per le città. Aumenta la temperatura dell'aria fino a 7 gradi Fahrenheit e contribuisce ai rischi per la salute e per l'ambiente, rischi che i cambiamenti climatici amplificheranno.

In risposta, i ricercatori del MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) stanno studiando come una superficie che normalmente aumenta le isole di calore urbane possa invece ridurne l'intensità. La loro ricerca si concentra su "pavimenti freschi, " che riflettono più radiazione solare ed emettono meno calore rispetto alle pavimentazioni convenzionali.

Un recente studio di un team di ricercatori attuali ed ex del MIT CSHub sulla rivista of Scienze e tecnologie ambientali delinea le pavimentazioni fresche e la loro realizzazione. Lo studio ha scoperto che potrebbero abbassare le temperature dell'aria a Boston e Phoenix fino a 1,7 gradi Celsius (3 gradi F) e 2,1 gradi C (3,7 gradi F), rispettivamente. Ridurrebbero anche le emissioni di gas serra, tagliando le emissioni totali fino al 3% a Boston e al 6% a Phoenix. Raggiungere questi risparmi, però, richiede che le strategie di pavimentazione fresca siano selezionate in base al clima, traffico, e configurazioni edilizie di ogni quartiere.

Città come Los Angeles e Phoenix hanno già condotto notevoli esperimenti con marciapiedi freschi, ma la tecnologia non è ancora ampiamente implementata. Il team di CSHub spera che la loro ricerca possa guidare futuri progetti di pavimentazione cool per aiutare le città a far fronte a un clima che cambia.

Graffiare la superficie

È risaputo che le superfici più scure diventano più calde alla luce del sole rispetto a quelle più chiare. Gli scienziati del clima usano una metrica chiamata "albedo" per aiutare a descrivere questo fenomeno.

"Albedo è una misura della riflettività superficiale, " spiega Hessam Azari Jafari, l'autore principale del documento e un postdoc presso il MIT CSHub. "Le superfici con bassa albedo assorbono più luce e tendono ad essere più scure, mentre le superfici ad alto albedo sono più luminose e riflettono più luce."

Albedo è fondamentale per raffreddare i marciapiedi. Tipiche superfici di pavimentazione, come l'asfalto convenzionale, possiedono un albedo basso e assorbono più radiazioni ed emettono più calore. Pavimenti freschi, però, hanno materiali più luminosi che riflettono più di tre volte più radiazioni e, di conseguenza, riemette molto meno calore.

"Possiamo costruire marciapiedi fantastici in molti modi diversi, "dice Randolph Kirchain, ricercatore nel Laboratorio di Scienza dei Materiali e condirettore del Concrete Sustainability Hub. "I materiali più luminosi come il cemento e gli aggregati di colore più chiaro offrono un albedo più elevato, mentre le pavimentazioni in asfalto esistenti possono essere rese "fredde" attraverso rivestimenti riflettenti".

I ricercatori di CSHub hanno considerato queste diverse opzioni in uno studio di Boston e Phoenix. La loro analisi ha considerato esiti diversi quando concreti, asfalto riflettente, e il cemento riflettente ha sostituito le tradizionali pavimentazioni in asfalto, che costituiscono oltre il 95% delle pavimentazioni in tutto il mondo.

La consapevolezza della situazione

Per una comprensione completa dei benefici ambientali delle pavimentazioni fresche a Boston e Phoenix, i ricercatori hanno dovuto guardare oltre i semplici materiali per pavimentazione. Questo perché oltre ad abbassare la temperatura dell'aria, le pavimentazioni fresche esercitano impatti diretti e indiretti sui cambiamenti climatici.

"L'unico impatto diretto è la forzatura radiativa, " osserva AzariJafari. "Riflettendo le radiazioni nell'atmosfera, i pavimenti freddi esercitano una forzatura radiativa, il che significa che cambiano il bilancio energetico della Terra inviando più energia dall'atmosfera, simile alle calotte polari".

Pavimenti freddi esercitano anche complessi, impatti indiretti del cambiamento climatico alterando l'uso di energia negli edifici adiacenti.

"Da una parte, abbassando le temperature, i pavimenti freschi possono ridurre la necessità di aria condizionata [aria condizionata] in estate mentre aumentano la domanda di riscaldamento in inverno, " dice AzariJafari. "Al contrario, riflettendo la luce, chiamata radiazione incidente, sugli edifici vicini, i pavimenti freschi possono riscaldare le strutture, che può aumentare l'utilizzo dell'aria condizionata in estate e ridurre la richiesta di riscaldamento in inverno."

Cosa c'è di più, gli effetti di albedo sono solo una parte degli impatti del ciclo di vita complessivo di una pavimentazione fresca. Infatti, gli impatti da costruzione e dall'estrazione di materiali (denominati insieme impatti incorporati) e l'uso della pavimentazione dominano entrambi il ciclo di vita. L'impatto della fase di utilizzo principale di una pavimentazione, a parte gli effetti di albedo, è il consumo di carburante in eccesso:i marciapiedi con superfici lisce e strutture rigide causano un consumo di carburante in eccesso inferiore nei veicoli che li guidano.

Valutare gli impatti sui cambiamenti climatici delle pavimentazioni fresche, poi, è un processo intricato, che implica molti compromessi. Nel loro studio, i ricercatori hanno cercato di analizzarli e misurarli.

Una riflessione completa

Per determinare l'implementazione ideale dei marciapiedi freddi a Boston e Phoenix, i ricercatori hanno studiato gli impatti del ciclo di vita del passaggio dai tradizionali marciapiedi in asfalto a tre opzioni di pavimentazione fresca:asfalto riflettente, calcestruzzo, e cemento riflettente.

Per fare questo, hanno usato simulazioni fisiche accoppiate per modellare edifici in migliaia di ipotetici quartieri. Utilizzando questi dati, hanno quindi addestrato un modello di rete neurale per prevedere gli impatti in base alle caratteristiche dell'edificio e del quartiere. Con questo strumento in atto, è stato possibile stimare l'impatto dei marciapiedi freddi per ciascuna delle migliaia di strade e centinaia di migliaia di edifici a Boston e Phoenix.

Oltre agli effetti albedo, hanno anche esaminato gli impatti incorporati per tutti i tipi di pavimentazione e l'effetto del tipo di pavimentazione sul consumo eccessivo di carburante del veicolo a causa delle qualità della superficie, rigidità, e tasso di deterioramento.

Dopo aver valutato gli impatti del ciclo di vita di ciascun tipo di pavimentazione fredda, i ricercatori hanno calcolato quale materiale:asfalto convenzionale, asfalto riflettente, calcestruzzo, e cemento riflettente:ha beneficiato maggiormente ogni quartiere. Hanno scoperto che mentre i marciapiedi freschi erano vantaggiosi a Boston e Phoenix in generale, i materiali ideali variavano notevolmente all'interno e tra le due città.

"Un vantaggio che era universale per il tipo di quartiere e il materiale di pavimentazione, era l'impatto del forzante radiativo, " osserva AzariJafari. "Questo era particolarmente vero nelle aree con brevi, edifici meno densi, dove l'effetto è stato più pronunciato."

A differenza del forzante radiativo, però, le modifiche alla domanda energetica dell'edificio differivano in base alla posizione. A Boston, i pavimenti freschi hanno ridotto la domanda di energia tanto quanto l'hanno aumentata in tutti i quartieri. A Fenice, le pavimentazioni fresche hanno avuto un impatto negativo sulla domanda di energia nella maggior parte dei tratti del censimento a causa della radiazione incidente. Quando si tiene conto del forzante radiativo, anche se, i marciapiedi freschi alla fine hanno avuto un netto vantaggio.

Solo dopo aver considerato le emissioni incorporate e gli impatti sul consumo di carburante si è manifestato il tipo di pavimentazione ideale per ogni quartiere. Una volta presa in considerazione l'incertezza sul ciclo di vita, i ricercatori hanno scoperto che le pavimentazioni in calcestruzzo riflettente hanno avuto i migliori risultati, risultando ottimale nel 53 percento e nel 73 percento dei quartieri di Boston e Phoenix, rispettivamente.

Di nuovo, sono state individuate incertezze e variazioni. A Boston, la sostituzione delle tradizionali pavimentazioni in asfalto con un'opzione interessante è sempre stata preferita, mentre a Phoenix le pavimentazioni in cemento, riflettenti o meno, hanno avuto risultati migliori grazie alla rigidità alle alte temperature che ha ridotto al minimo il consumo di carburante del veicolo. E nonostante il predominio del cemento a Phoenix, nel 17% dei suoi quartieri tutte le opzioni di pavimentazione riflettente si sono dimostrate più o meno efficaci, mentre nell'1% dei casi, i marciapiedi convenzionali erano in realtà superiori.

"Sebbene gli impatti del cambiamento climatico che abbiamo studiato si siano dimostrati numerosi e spesso in contrasto tra loro, le nostre conclusioni sono inequivocabili:i marciapiedi freschi potrebbero offrire immensi benefici di mitigazione del cambiamento climatico per entrambe le città, "dice Kirchain.

I miglioramenti alle temperature dell'aria sarebbero evidenti:il team ha scoperto che i marciapiedi freschi abbasserebbero le temperature massime estive dell'aria a Boston di 1,7 gradi C (3 gradi F) e a Phoenix di 2,1 gradi C (3,7 gradi F). Anche le riduzioni delle emissioni di anidride carbonica sarebbero impressionanti. Boston ridurrebbe le sue emissioni di anidride carbonica fino al 3% in 50 anni, mentre le riduzioni a Phoenix raggiungerebbero il 6% nello stesso periodo.

Questa analisi è uno degli studi più completi sui marciapiedi freschi fino ad oggi, ma c'è altro da indagare. Proprio come con i marciapiedi, è anche possibile regolare l'albedo dell'edificio, che possono comportare modifiche alla domanda energetica dell'edificio. Anche la decarbonizzazione intensiva della rete e l'introduzione di miscele di calcestruzzo a basse emissioni di carbonio possono alterare le emissioni generate dalle pavimentazioni fredde.

C'è ancora molto da fare per il team CSHub. Ma studiando i marciapiedi freschi, hanno elevato una brillante soluzione al cambiamento climatico e aperto strade per ulteriori ricerche e mitigazioni future.