I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago hanno progettato un materiale da costruzione simile a un camaleonte, in base alla temperatura esterna, cambia il suo colore a infrarossi e la quantità di calore che assorbe o emette. Il materiale nelle giornate calde può emettere fino al 92% del calore infrarosso che contiene, contribuendo a raffreddare l’interno di un edificio; nei giorni più freddi, tuttavia, il materiale emette solo il 7% dei suoi infrarossi, contribuendo a mantenere caldo un edificio.
Po-Chun Hsu ha guidato la ricerca pubblicata nella rivista Nature Sustainability, ha detto:
«In sostanza, abbiamo escogitato un modo a basso consumo energetico per trattare un edificio come una persona, aggiungi uno strato quando hai freddo, togli uno strato quando hai caldo, è questo tipo di materiale intelligente che ci consente di mantenere la temperatura in un edificio senza enormi quantità di energia».
Spinto dal cambiamento climatico
I ricercatori hanno detto che secondo alcune stime, gli edifici rappresentano il 30% del consumo energetico globale ed emettono il 10% di tutti i gas serra globali. Circa la metà di questa impronta energetica è attribuita al riscaldamento e al raffreddamento degli spazi interni.
Po-Chun Hsu ha affermato:
«La maggior parte di noi per molto tempo ha dato per scontato il controllo della temperatura interna, senza pensare a quanta energia richiede. Se vogliamo un futuro a zero emissioni di carbonio, penso che dobbiamo prendere in considerazione diversi metodi per controllare la temperatura degli edifici in modo più efficiente dal punto di vista energetico».
I ricercatori precedentemente hanno sviluppato materiali di raffreddamento radiativo che aiutano a mantenere freschi gli edifici aumentando la loro capacità di emettere infrarossi, il calore invisibile che si irradia da persone e oggetti. Esistono anche materiali che impediscono l’emissione di infrarossi nei climi freddi.
Chenxi Sui ricercatore della Pritzker School of Molecular Engineering (PME), primo autore dello studio, ha detto:
«Un modo semplice per pensarci è che se hai un edificio completamente nero esposto al sole, si riscalderà più facilmente di altri edifici, quel tipo di riscaldamento passivo potrebbe essere una buona idea in inverno, ma non in estate».
Il riscaldamento globale poiché provoca eventi meteorologici estremi sempre più frequenti e condizioni meteorologiche variabili, è necessario che gli edifici siano in grado di adattarsi, considerando che pochi climi richiedono il riscaldamento tutto l’anno o l’aria condizionata tutto l’anno.
Dal metallo al liquido e ritorno
Po-Chun Hsu e colleghi hanno progettato un materiale da costruzione “elettrocromico” non infiammabile che contiene uno strato che può assumere due conformazioni: rame solido che trattiene la maggior parte del calore infrarosso o una soluzione acquosa che emette infrarossi. Il dispositivo a qualsiasi temperatura di innesco prescelta, può utilizzare una piccola quantità di elettricità per indurre lo spostamento chimico tra gli stati depositando il rame in una pellicola sottile o rimuovendolo.
I ricercatori hanno spiegato in dettaglio come il dispositivo può passare rapidamente e in modo reversibile tra lo stato metallico e quello liquido. Hanno dimostrato che la capacità di passare da una conformazione all’altra è rimasta efficiente anche dopo 1.800 cicli.
Il team di ricercatori quindi, ha creato modelli di come il loro materiale potrebbe ridurre i costi energetici in edifici tipici in 15 diverse città degli Stati Uniti. Hanno riferito che in un edificio commerciale medio, l’elettricità utilizzata per indurre cambiamenti elettrocromici nel materiale, sarebbe inferiore allo 0,2% del consumo totale di elettricità dell’edificio, ma potrebbe risparmiare l’8,4% del consumo annuale di energia HVAC dell’edificio (è una sigla inglese, molto usata in tutti i campi dell’industria, che sta per Heating, Ventilation and Air Conditioning, ovvero “riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria”).
Po-Chun Hsu ha detto:
«Una volta che si passa da uno stato all’altro, non è necessario applicare altra energia per rimanere in uno dei due stati, quindi, per gli edifici in cui non è necessario passare da uno stato all’altro molto frequentemente, utilizza davvero una quantità trascurabile di elettricità».
Ingrandire
Il team di Po-Chun Hsu finora ha creato solo frammenti di materiale, misurano circa sei centimetri di diametro. Tuttavia, immaginano che molti di questi frammenti di materiale possano essere assemblati come scandole in fogli più grandi. Dicono che il materiale potrebbe anche essere ottimizzato per utilizzare colori diversi e personalizzati: la fase acquosa è trasparente, quasi tutti i colori possono essere messi dietro di essa senza influire sulla sua capacità di assorbire gli infrarossi.
I ricercatori stanno ora studiando diversi metodi di fabbricare il materiale. Hanno anche in programma di sondare come gli stati intermedi del materiale potrebbero essere utili.
Po-Chun Hsu in conclusione ha detto:
«Abbiamo dimostrato che il controllo radiativo può svolgere un ruolo nel controllo di un’ampia gamma di temperature degli edifici durante le diverse stagioni. Stiamo continuando a lavorare con gli ingegneri e il settore edile per esaminare come questo possa contribuire a un futuro più sostenibile».