Dal semplice frigorifero e condizionatore d'aria ai complessi sistemi di refrigerazione utilizzati nei processi industriali, mantenersi al fresco è fondamentale nella vita moderna. Il riscaldamento globale e la crescita della popolazione mondiale stanno alimentando la crescente necessità di sistemi di raffreddamento efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, le basse temperature spesso comportano un elevato consumo di elettricità, che a sua volta si traduce in un'impronta di carbonio elevata e nel rischio di emissioni di refrigeranti che in genere hanno un alto potenziale di riscaldamento globale. Un team di ricerca composto da partner accademici e industriali, guidato dal professor Stefan Seelecke dell'Università della Saarland e del Centro per la Meccatronica e l'Automazione (ZeMA), sta attualmente sviluppando un sistema di raffreddamento ecocompatibile.
Il nostro processo è efficiente dal punto di vista energetico e non richiede l'uso di refrigeranti dannosi per il clima. "Infatti, la nostra tecnologia è fino a 15 volte più efficiente dei sistemi basati su refrigeranti convenzionali", ha spiegato Stefan Seelecke. Sia la Commissione Europea che il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno valutato il nuovo processo e lo considerano l'alternativa più promettente alla tecnologia di refrigerazione a compressione di vapore attualmente in uso.

Il team di Seelecke ha sviluppato il primo prototipo al mondo a funzionamento continuo che raffredda l'aria utilizzando questo nuovo processo. La tecnologia di refrigerazione che il team presenterà alla fiera di Hannover di quest'anno utilizza fibre muscolari artificiali composte da fasci di fili ultrasottili a memoria di forma, realizzati in lega di nichel-titanio "nitinol". Questi fili hanno la particolare proprietà di ritornare alla loro forma originale dopo essere stati allungati o deformati in altro modo. Pertanto, sono in grado di contrarsi e rilassarsi come i muscoli umani.

La ragione di questo comportamento risiede nella struttura della lega metallica. Gli atomi nella lega sono disposti in una struttura reticolare cristallina. Se il filo di nichel-titanio viene deformato o sottoposto a tensione, gli strati di atomi nel reticolo cristallino si muovono l'uno rispetto all'altro, creando una tensione nel materiale. Questa tensione viene rilasciata quando il filo ritorna alla sua forma originale. Questi cambiamenti nella struttura cristallina del materiale sono noti come transizioni di fase e fanno sì che i fili assorbano o rilascino calore. Questo è l'effetto che Seelecke e il suo team sfruttano nel loro innovativo sistema di raffreddamento. Il materiale a memoria di forma rilascia calore quando è sottoposto a carico meccanico nel suo stato superelastico e assorbe calore dall'ambiente circostante quando viene scaricato. E questo effetto è particolarmente pronunciato nel caso del nitinolo. "Quando i fili di nitinolo pre-tensionati vengono scaricati a temperatura ambiente, si raffreddano fino a 20 gradi", spiega Stefan Seelecke, titolare della cattedra di Sistemi di Materiali Intelligenti presso l'Università della Saarland. "

Sfruttiamo questa proprietà per dissipare il calore", spiega Susanne-Marie Kirsch, che ha contribuito allo sviluppo del sistema di raffreddamento nell'ambito del suo progetto di ricerca di dottorato. "L'idea di base è quella di permettere ai filati superelastici a memoria di forma di rilassarsi e quindi raffreddare l'ambiente rimuovendo il calore", ha spiegato Kirsch. Il calore assorbito dai filati a memoria di forma viene rilasciato all'esterno quando i filati vengono nuovamente tensionati nell'ambiente.

Tuttavia, il sistema di raffreddamento a Saarbrücken è considerevolmente più complesso. Il team ha progettato e sviluppato un circuito di raffreddamento in cui un azionamento a camme, in attesa di brevetto, ruota, allungando e rilassando alternativamente fasci di filato di nitinolo dello spessore di 200 micron per trasferire il calore nel modo più efficiente possibile. L'aria viene soffiata attraverso i fasci di filato in due camere separate: una in cui l'aria viene riscaldata e l'altra in cui viene raffreddata. Ciò consente alla macchina sia di raffreddare che di riscaldare. "Quando i fili vengono caricati meccanicamente, si riscaldano di circa 20 gradi, quindi il processo può essere utilizzato anche come pompa di calore", spiega Felix Welsch, che ha lavorato al prototipo del sistema anche nell'ambito del suo dottorato di ricerca. A seconda della lega utilizzata, la potenza di riscaldamento o raffreddamento di questa nuova tecnologia 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 significativamente migliore rispetto alle pompe di calore e ai frigoriferi convenzionali attualmente disponibili.

Il sistema di raffreddamento è il risultato di molti anni di ricerca in diversi progetti, numerose tesi di dottorato premiate e una stretta collaborazione con il gruppo guidato dal professor Andreas Schütze presso l'Università della Saarland. Il finanziamento è stato fornito, in parte, dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) attraverso il suo programma prioritario "Ferric Refrigeration". Grazie a una combinazione di studi sperimentali e modelli numerici, i ricercatori sono stati in grado di ottimizzare i meccanismi sottostanti e determinare quanti fili di nitinolo dovrebbero essere inclusi in un fascio o quale livello di carico di fili è necessario per ottenere uno specifico grado di raffreddamento. Sulla base di questi risultati, il team di ricerca può ora personalizzare il sistema. Hanno sviluppato un pacchetto software che consente loro di simulare, progettare e adattare i sistemi di raffreddamento ad applicazioni specifiche.

Il team di Saarbrücken sta attualmente lavorando a diversi progetti per ottimizzare ulteriormente il processo di trasferimento del calore e aumentare così l'efficienza della nuova tecnologia. L'obiettivo è raggiungere una fase in cui praticamente tutta l'energia derivante dalla transizione di fase venga utilizzata per il riscaldamento o il raffreddamento.

I ricercatori del team di Seelecke stanno attualmente sviluppando la loro tecnologia elastocalorica per l'utilizzo come sistema di raffreddamento nei veicoli elettrici. Da gennaio 2022, il team collabora con partner accademici e industriali al progetto NEKKA, finanziato dal governo, che mira a sviluppare un innovativo sistema di raffreddamento elastomerico. Il progetto riceverà un finanziamento totale di 6 milioni di euro, di cui circa 1 milione di euro sarà destinato al team di Saarbrücken per il loro progetto di raffreddamento per veicoli elettrici. Il nostro obiettivo è sviluppare, modellare matematicamente e validare un sistema di climatizzazione alternativo utilizzabile in tutte le classi di veicoli. Il sistema sarà in grado di riscaldare e raffreddare il veicolo e, allo stesso tempo, sarà più efficiente, più ecologico e più sostenibile rispetto agli altri sistemi attualmente disponibili. "La nostra tecnologia sarà anche più compatta, leggera ed economica", spiega Paul Motzki, ingegnere ricercatore e direttore generale del team Seelecke.
Per sviluppare questo e altri sistemi di materiali intelligenti per applicazioni commerciali e industriali, i ricercatori dell'Intelligent Material Systems Laboratory hanno fondato la società spin-off "mateligent GmbH".