Pompe di calore senza refrigeranti grazie all’effetto termoelastico
Arriva da Hong Kong una promettente alternativa ecologica alle tradizionali tecnologie di riscaldamento e raffreddamento a compressione di vapore. E’ il sistema a pompaggio di calore allo stato solido che un gruppo di ingegneri della Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) ha sviluppato sfruttando il cosiddetto effetto termoelastico.
Di cosa si tratta? Di un fenomeno fisico che permette ai solidi elastici di cambiare temperatura in risposta ad una deformazione lineare. Tuttavia per capire la bontà della ricerca è necessario fare qualche passo indietro.
Compressione di vapore vs. pompaggio di calore allo stato solido
I sistemi di pompaggio di calore allo stato solido nascono come alternativa alle pompe di calore che sfruttano la compressione di vapore. Nonostante l’efficienza di quest’ultimi, infatti, i refrigeranti normalmente utilizzati destano diffusa preoccupazione per il loro potenziale di riscaldamento globale.
Il pompaggio di calore allo stato solido rappresenta in questo senso una soluzione più ecologica ma anche meno efficiente. Di base la tecnologia sfrutta leghe a memoria di forma che attraverso un cambiamento di stato riescono a generare un cambiamento di temperatura adiabatico (vale a dire senza scambio di calore con l’ambiente esterno).
Il problema di queste leghe è essenzialmente la loro efficienza energetica che raggiunge solo il 50%-70% del limite teorico di Carnot. Ben al di sotto dell’efficienza dei refrigeranti utilizzati nelle pompe a vapore compresso (circa il 90%).
La nuova lega ferroelastica
Per superare tali limiti, gli ingegneri della HKUST hanno sviluppato una nuova lega ferroelastica – chiamata Ti78Nb22 – grazie a cui sfruttare il fenomeno termoelastico sopracitato al posto della transizione di fase.
Nel dettaglio il gruppo ha fabbricato un policristallo “martensitico” di Ti78Nb22 che, quando sottoposto a deformazione elastica lineare per il pompaggio di calore, mostra una variazione di temperatura reversibile di 4–5 K. Vale a dire 20 volte di più dei metalli convenzionali, che in genere mostrano una variazione di solo di circa 0,2 K.
“Sorprendentemente, questa lega raggiunge circa il 90% del limite di efficienza di Carnot in un ciclo di pompaggio di calore, rendendola altamente competitiva con i refrigeranti utilizzati nelle pompe di calore a compressione di vapore commerciali”, si legge nel testo dell’ateneo.
La ricerca suggerisce anche che alcune leghe ferroelastiche potrebbero essere sviluppate con una dilatazione termica ancora maggiore, ottenendo variazioni di temperatura fino a 22 K.
“Questo lavoro offre un’opportunità promettente per il settore delle pompe di calore ecologiche e presenta la prima soluzione non basata sulla transizione di fase per una fornitura di calore ecologica e ad alta efficienza”.
I risultati dello studio sono stati pubblicati nell’articolo “Large thermoelastic effect in martensitic phase of ferroelastic alloys for high efficiency heat pumping” su Nature Communications.