Il team di ricerca internazionale guidato da scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un materiale che, una volta applicato su un pannello di vetro per finestre, può effettivamente autoadattarsi per riscaldare o raffreddare le stanze in diverse zone climatiche del mondo, contribuendo a ridurre il consumo di energia.
Sviluppato dai ricercatori della NTU e pubblicato nella rivista Science, il vetro, unico nel suo genere, risponde automaticamente alle variazioni di temperatura passando dal riscaldamento al raffreddamento.
Il vetro autoadattativo è sviluppato utilizzando strati di composito di nanoparticelle di biossido di vanadio, polimetilmetacrilato (PMMA) e rivestimento a bassa emissività per formare una struttura unica in grado di modulare contemporaneamente il riscaldamento e il raffreddamento.
Il vetro di nuova concezione, privo di componenti elettrici, funziona sfruttando gli spettri di luce responsabili del riscaldamento e del raffreddamento. Il vetro durante l’estate, sopprime il riscaldamento solare vicino alla luce infrarossa, mentre aumenta il raffreddamento radiativo (infrarosso a onde lunghe), un fenomeno naturale in cui il calore, attraverso le superfici, emette verso l’universo freddo, per raffreddare la stanza. In inverno, fa il contrario per riscaldare la stanza.
Il vetro nei test di laboratorio che utilizzano una telecamera a infrarossi per visualizzare i risultati, ha consentito l’emissione di una quantità controllata di calore in varie condizioni (temperatura ambiente, superiore a 70° C), dimostrando la sua capacità di reagire dinamicamente alle mutevoli condizioni meteorologiche.
Il nuovo vetro regola sia il riscaldamento sia il raffreddamento
Le finestre sono uno dei componenti chiave nella progettazione di un edificio, ma dal punto di vista energetico, sono anche la parte meno efficiente e più complicata: solo negli Stati Uniti, ogni anno, secondo una stima basata sui dati disponibili presso il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, il consumo di energia associato alle finestre (riscaldamento e raffreddamento) negli edifici rappresenta circa il 4% del consumo totale di energia primaria.
Gli scienziati mentre altrove hanno sviluppato innovazioni sostenibili per alleviare questa domanda di energia (utilizzo di rivestimenti a bassa emissività per impedire il trasferimento di calore e il vetro elettrocromico che regola la trasmissione solare dall’entrare nella stanza diventando colorato), fino ad ora nessuna delle soluzioni è stata in grado di modulare allo stesso tempo sia il riscaldamento sia il raffreddamento.
Long Yi della NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), ricercatore principale dello studio, ha affermato:
«Oggi la maggior parte delle finestre a risparmio energetico, affronta la parte del guadagno di calore solare, causato dalla luce solare visibile e nel vicino infrarosso. Tuttavia, i ricercatori spesso trascurano il raffreddamento radiativo nell’infrarosso a lunghezza d’onda lunga, mentre le innovazioni incentrate sul raffreddamento radiativo sono state utilizzate su pareti e tetti, questa funzione diventa indesiderabile durante l’inverno. Il nostro team per la prima volta, ha dimostrato un vetro che può rispondere favorevolmente a entrambe le lunghezze d’onda, ciò significa che può auto-sintonizzarsi continuamente per reagire a un cambiamento di temperatura in tutte le stagioni».
Il team di ricerca NTU ritiene che negli edifici, la loro innovazione offra un modo conveniente per risparmiare energia, poiché per funzionare, non si basa su componenti mobili, meccanismi elettrici o viste bloccanti.
Gang Tan dell’Università del Wyoming, negli Stati Uniti, e Ronggui Yang dell’Università di scienza e tecnologia di Huazhong, Wuhan, Cina (ha guidato la simulazione del risparmio energetico dell’edificio), hanno detto che la modulazione simultanea della trasmissione solare e del raffreddamento radiativo è cruciale.
Gang Tan ha affermato:
«Questa innovazione colma il divario mancante tra le finestre intelligenti tradizionali e il raffreddamento radiativo, aprendo una nuova direzione di ricerca per ridurre al minimo il consumo di energia».
Lo studio è un esempio di ricerca innovativa che supporta il piano strategico NTU 2025, che cerca di affrontare le grandi sfide dell’umanità sulla sostenibilità e accelerare la traduzione delle scoperte della ricerca in innovazioni che mitigano l’impatto umano sull’ambiente.
Innovazione utile per un’ampia gamma di tipi di clima
Gli scienziati come prova del concetto, hanno testato le prestazioni di risparmio energetico della loro invenzione utilizzando simulazioni di dati climatici che coprono tutte le parti popolate del globo (sette zone climatiche).
Il team ha scoperto che il vetro che hanno sviluppato ha mostrato risparmi energetici sia nelle stagioni calde sia in quelle fredde, con una prestazione complessiva di risparmio energetico fino al 9,5%, o ~ 330.000 kWh all’anno (energia stimata necessaria per alimentare 60 famiglie a Singapore per un anno) in meno, rispetto al vetro a bassa emissività disponibile in commercio in un edificio simulato per uffici di medie dimensioni.
I ricercatori Wang Shancheng e Long Yi, hanno dichiarato:
«I risultati dimostrano la fattibilità dell’applicazione del nostro vetro in tutti i tipi di climi, in quanto è in grado di aiutare a ridurre il consumo di energia, indipendentemente dalle fluttuazioni di temperatura stagionali calde e fredde. Ciò distingue la nostra invenzione dalle finestre di risparmio che tendono a trovare un uso limitato nelle regioni con meno variazioni stagionali».
I ricercatori hanno detto che le prestazioni di riscaldamento e raffreddamento del loro vetro, possono essere personalizzate per adattarsi alle esigenze del mercato e della regione a cui è destinato.
Long Yi ha detto:
«Possiamo farlo semplicemente regolando la struttura e la composizione dello speciale rivestimento nanocomposito stratificato sul pannello di vetro, consentendo alla nostra innovazione di essere potenzialmente utilizzata in un’ampia gamma di applicazioni di regolazione del calore, e non limitatamente alle finestre».
Liangbing Hu, direttore del Centro per l’innovazione dei materiali presso l’Università del Maryland, negli Stati Uniti, fornendo una visione indipendente, ha affermato:
«Long Yi e i suoi collaboratori hanno realizzato lo sviluppo originale di finestre intelligenti in grado di regolare il quasi luce solare a infrarossi e il calore a infrarossi a onde lunghe. L’uso di questa finestra intelligente potrebbe essere molto importante per il risparmio energetico e la decarbonizzazione».
Il team di ricerca ha depositato un brevetto per l’innovazione, come passo successivo, mira a ottenere prestazioni di risparmio energetico ancora più elevate lavorando sulla progettazione del rivestimento in nanocomposito.
Il team di ricerca internazionale comprende anche scienziati della Nanjing Tech University, in Cina.