Può essere utilizzato per raffreddare o riscaldare l'aria in una stanza o per raffreddare o riscaldare liquidi. E sembra che Q, lo specialista di tecnologia e gadget nei film di James Bond, potrebbe aver inventato. Il dispositivo prototipo, che è stato sviluppato da un gruppo di ricerca guidato dai professori Stefan Seelecke e Andreas Schütze dell'Università del Saarland, è in grado di trasferire calore utilizzando 'muscoli' realizzati in nichel-titanio. Nichel-titanio o nitinol, come spesso è noto, è un materiale a memoria di forma che rilascia calore all'ambiente circostante quando viene caricato meccanicamente nel suo stato superelastico e assorbe calore dall'ambiente circostante quando viene scaricato. Questa proprietà insolita è il motivo per cui il nitinol viene anche chiamato "lega intelligente" o "filo muscolare". più efficiente dei tradizionali dispositivi di riscaldamento e raffreddamento.

La Commissione UE e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno entrambi valutato il nuovo processo e lo considerano la tecnologia alternativa più promettente ai sistemi di refrigerazione a compressione di vapore esistenti.

Il team di ingegneri di Saarbrücken esporrà la propria tecnologia all'Hannover Messe di quest'anno dal 1 al 5 aprile presso lo stand di ricerca e innovazione del Saarland (padiglione 2, Stand B46).

Le regole sono abbastanza chiare:per raffreddare qualcosa, è necessario rimuovere il calore da esso. E per scaldare qualcosa, deve essere fornita energia termica. Il sistema prototipo sviluppato dagli ingegneri della Saarland University fa entrambe queste cose. Ma il loro sistema trasporta il calore utilizzando un nuovo metodo che evita i problemi e gli svantaggi associati ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali. "Il nostro sistema fa a meno dei refrigeranti convenzionali che sono così dannosi per l'ambiente, " spiega il professor Andreas Schütze della Saarland University, un esperto nel campo dei sensori e della tecnologia di misurazione.

Il principio alla base è semplice e consiste essenzialmente nel sottoporre una particolare lega a memoria di forma (SMA) - in questo caso nichel-titanio - a cicli controllati di carico/scarico. "Le transizioni di fase risultanti che si verificano nel reticolo cristallino della lega rilasciano o assorbono calore latente, a seconda della parte del ciclo in cui si trova il materiale, "dice il professor Stefan Seelecke, che detiene la cattedra di Intelligent Material Systems presso la Saarland University. Questo effetto è particolarmente pronunciato nei fili in nichel-titanio. "Quando i fili di nitinol precompressi vengono scaricati a temperatura ambiente, si raffreddano fino a 20 gradi, " dice Felix Welsch che ha lavorato al prototipo come parte del suo progetto di ricerca di dottorato, insieme alla sua collega di squadra Susanne-Marie Kirsch. Questo fenomeno consente di rimuovere il calore dal sistema. "Quando i fili vengono caricati meccanicamente si riscaldano di una quantità simile, in modo che il processo possa essere utilizzato anche come pompa di calore, " spiega Welsch.

Il prototipo è la prima macchina a funzionamento continuo che raffredda l'aria utilizzando questo processo. Il team ha progettato e sviluppato un azionamento a camme in attesa di brevetto la cui rotazione assicura che fasci di fili di nitinol dello spessore di 200 micron vengano caricati e scaricati alternativamente in modo tale che il calore venga trasferito nel modo più efficiente possibile. L'aria viene soffiata attraverso i fasci di fibre in due camere separate:in una camera l'aria viene riscaldata, nell'altro si raffredda. Il dispositivo può quindi funzionare sia come pompa di calore che come frigorifero.

Ma ciò che sembra così semplice si rivela difficile e complesso da implementare. Gli ingegneri della Saarland University e dello Zema (Center for Mechatronics and Automation Technology) di Saarbrücken hanno trascorso diversi anni lavorando sul problema in diversi progetti, compreso il programma prioritario "Raffreddamento ferroico" finanziato dalla DFG. Utilizzando una combinazione di indagini sperimentali e modelli numerici sono stati in grado di identificare come massimizzare l'efficienza del meccanismo sottostante, il livello di carico del filo necessario per ottenere un determinato grado di raffreddamento, la velocità di rotazione ideale e quanti fili di nitinol devono essere inclusi in un fascio. "Maggiore è la superficie, più veloce è il trasferimento di calore, ecco perché i fasci di cavi forniscono le migliori capacità di raffreddamento, " spiega Susanne-Marie Kirsch. "Utilizziamo una termocamera per analizzare con precisione come procedono le fasi di riscaldamento e raffreddamento." Come risultato del loro lavoro di ricerca, il team di ingegneri dispone ora di una serie di parametri che possono regolare per adattare il proprio sistema alle diverse esigenze. "Abbiamo preso i risultati ottenuti finora e abbiamo sviluppato un programma software che ci consente di mettere a punto con precisione la nostra tecnologia di riscaldamento e raffreddamento su un computer per applicazioni specifiche. Una volta che la modellazione e la pianificazione al computer sono state completate, il sistema può quindi essere costruito, " spiega Kirsch.

Questa ricerca di base potrebbe avere interessanti applicazioni industriali, perché la nuova tecnologia di riscaldamento e raffreddamento sviluppata a Saarbrücken è altamente efficiente. A seconda della lega utilizzata, la potenza termica o frigorifera dell'impianto è fino a trenta volte superiore alla potenza meccanica necessaria per caricare e scaricare i fasci di fili di lega. Ciò rende il nuovo sistema almeno due volte più efficace di una pompa di calore convenzionale e tre volte migliore di un frigorifero convenzionale. "La nostra nuova tecnologia è anche rispettosa dell'ambiente e non danneggia il clima, poiché il meccanismo di trasferimento del calore non utilizza liquidi o vapori. Quindi l'aria in un sistema di condizionamento può essere raffreddata direttamente senza la necessità di uno scambiatore di calore intermedio, e non dobbiamo usare senza perdite, tubazioni ad alta pressione, " spiega il professor Seelecke.

Il team sta attualmente lavorando per ottimizzare ulteriormente il trasferimento di calore all'interno del sistema al fine di aumentare ulteriormente l'efficienza della nuova tecnologia. "Il nostro obiettivo è arrivare a una fase in cui quasi tutta l'energia della transizione di fase viene utilizzata per il riscaldamento o il raffreddamento, " dice il dottorando Felix Welsch.