Il mantello radiativo mantiene gli oggetti caldi e freddi

Alcuni ricercatori cinesi hanno sviluppato un mantello termico in grado di raffreddare radiativamente gli oggetti quando fa caldo e di mantenerli caldi quando fa freddo. Kehang Cui dell'Università Jiao Tong di Shanghai e colleghi affermano che la loro nuova tecnologia offre un modo promettente per regolare la temperatura senza l'apporto di energia.

Il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici rappresentano circa il 20% del consumo energetico globale. Poiché il cambiamento climatico aumenta la frequenza e la gravità delle condizioni meteorologiche estreme, nei prossimi decenni i sistemi di controllo della temperatura saranno ulteriormente potenziati.

Di conseguenza, i ricercatori sono desiderosi di creare tecnologie a basso costo e a zero emissioni di carbonio in grado di regolare passivamente le temperature, senza attingere a una fonte di alimentazione.

Una sfida importante nella creazione di tali sistemi è che i materiali termoregolatori convenzionali non possono cambiare automaticamente il loro comportamento radiativo. Ad esempio, alcuni materiali di raffreddamento riflettono la radiazione solare, mentre emettono radiazioni nel medio infrarosso nella “finestra di trasparenza”. Questa finestra fa parte dello spettro elettromagnetico dove la radiazione non viene riflessa o assorbita dall'atmosfera e questa emissione avrà un effetto di raffreddamento. Tuttavia, questi materiali emettono radiazioni anche a temperature fredde, eliminando calore prezioso.

Ora, Cui e colleghi hanno creato un nuovo “mantello termico Janus” (JTC), che regola la temperatura a tutte le temperature ambientali. “Il mantello è composto da un metatessuto fononico interamente in ceramica, con raffreddamento radiativo, rivolto verso il cielo, e da un foglio di riciclo di fotoni rivolto all’interno”, spiega Cui.

Il team ha scelto questi materiali per la loro elevata resistenza e stabilità, il basso costo e l’eccellente resistenza al fuoco e alla corrosione. Di conseguenza, dicono che il mantello è facile da produrre e resistente agli ambienti esterni difficili.

Realizzato in una lega di alluminio, il foglio interno del JTC ha un'elevata conduttività termica, ma riflette quasi perfettamente la radiazione attraverso l'intero spettro infrarosso, intrappolando il calore all'interno. I ricercatori affermano che potrebbero essere utilizzati anche materiali tra cui ceramica, rame e acciaio inossidabile, a seconda della disponibilità del materiale.

Il metatessuto rivolto al cielo del JTC comprende un'impalcatura tessuta con fibre di silice intrecciate che è legata a un cristallo di nitruro di boro esagonale 2D. Si crea così un materiale “iperbolico”, la cui risposta alle onde elettromagnetiche incidenti dipende dall’angolo del loro approccio.

A differenza della lamina sottostante, il metatessuto ha una conduttività termica estremamente bassa, ma riflette altamente la radiazione solare, coprendo la gamma del visibile e del vicino infrarosso. Ciò è dovuto alle interazioni luce-materia all’interno del metatessuto, che causano la dispersione della radiazione nel medio infrarosso attorno agli assi delle sue fibre di silice. Nella finestra di trasparenza, il metatessuto riemette praticamente tutta la radiazione che assorbe, senza trasferirla alla lamina.

Di conseguenza, il calore all'interno dell'oggetto occultato tende a essere trattenuto ma la radiazione proveniente dall'ambiente non tenderà a riscaldare l'oggetto.

Il nuovo sistema di raffreddamento elastocalorico si mostra promettente per l’uso commerciale

Il team di Cui ha testato il JTC su auto elettriche parcheggiate per le strade di Shanghai e ha confrontato la temperatura dell'abitacolo con quella delle auto scoperte. Nell'esperimento, le auto coperte sono rimaste circa 8°C più fresche rispetto alle auto scoperte nelle calde giornate estive, e 6,8°C più calde nelle fredde notti invernali.

“Questa è la prima volta che potremmo raggiungere un riscaldamento al di sopra della temperatura ambiente di quasi 7°C durante le notti invernali”, spiega Cui. “Anche questo è un po’ sorprendente per noi: non c’è apporto di energia o sole e possiamo ancora riscaldarci”. Questa regolamentazione passiva è particolarmente importante per le auto elettriche, poiché le loro batterie e i componenti elettrici non possono sopportare facilmente sbalzi di temperatura estremi.

Per Cui e colleghi, il prossimo passo sarà quello di migliorare la loro progettazione, portando possibilmente a una vasta gamma di interessanti applicazioni pratiche. “Il mantello termico è affidabile, veramente passivo e non comporta cambiamenti di fase o parti in movimento”, continua. “Ciò lo rende promettente per l’uso in applicazioni del mondo reale in edifici, veicoli e persino ambienti extraterrestri”.