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Un materiale che getta calore nello spazio potrebbe presto reinventare l'aria condizionata
Giacomo Tempio
Eli Goldstein, un cofondatore dalla faccia fresca di SkyCool Systems, ha aperto la porta del garage sul lato dello spazio di lavoro angusto dello spinout di Stanford a Burlingame, in California, e ha fatto rotolare una serie di pannelli quadrati argentati nel parcheggio.
Erano inclinati verso il sole, ricoperti da quello che sembrava un foglio di alluminio perfettamente senza pieghe e fissati a un telaio metallico che reggeva una serie di tubi, tubi e termometri.
Quel giorno le temperature hanno raggiunto i 104 °F nella penisola di San Francisco, l'inizio di una rara e torrida ondata di caldo nella Bay Area. Passare davanti ai pannelli era come passare davanti a un forno aperto.
Che è proprio il punto. I pannelli di SkyCool sono essenzialmente specchi ad alta tecnologia, progettati per raffreddare gli edifici in modo molto più efficiente rispetto ai tradizionali sistemi di condizionamento dell'aria, sfruttando una strana particolarità dell'ottica che consente a una banda ristretta di radiazioni di fuggire nello spazio (vedi Il cielo può contenere il segreto dell'efficienza Aria condizionata ). A seconda dell'applicazione e delle condizioni climatiche, la tecnologia potrebbe ridurre l'energia utilizzata per raffreddare le strutture dal 10 al 70 percento, riducendo una delle maggiori richieste singole sulla rete degli Stati Uniti e riducendo di conseguenza le emissioni di gas serra.
Capire come funziona richiede un po' di background. Tutti gli oggetti emettono calore sotto forma di radiazione infrarossa, una forma invisibile di luce appena a destra del rosso sullo spettro. Il punto di giacche, guanti e sciarpe è di trattenere il più possibile quel calore radiante, tenendoci al caldo nelle giornate invernali. Anche l'atmosfera stessa, principalmente sotto forma di molecole d'acqua, irradia una parte del calore.
Ma una scheggia di emissioni nella gamma del medio infrarosso (con lunghezze d'onda comprese tra otto e 13 micrometri, per chi tiene il punteggio) scivola attraverso, sfuggendo attraverso quello che è stato descritto come un finestra nello spazio . I materiali che emettono radiazioni in quell'intervallo lo proiettano letteralmente nelle fredde distese dello spazio, o almeno nella fredda atmosfera superiore, consentendo alle superfici stesse di immergersi al di sotto della temperatura dell'aria circostante. Questo fenomeno naturale è ciò che provoca la formazione di brina sulle superfici sotto il cielo notturno aperto, come i finestrini delle auto e i fili d'erba, anche quando le temperature non raggiungono lo zero.
Una sfida critica per sfruttare questo meccanismo in modi utili è stata che durante il giorno, il calore del sole generalmente compensa qualsiasi effetto di raffreddamento. Ma in una ricerca pubblicata per la prima volta in Natura alla fine del 2014, gli scienziati dietro SkyCool Systems hanno aggirato il problema sviluppando un materiale avanzato sintonizzato per irradiare luce infrarossa nella gamma che scivola attraverso l'atmosfera mentre riflette anche il 97 percento della luce solare. Collocato su un tetto alla luce diretta del sole, il materiale è rimasto 4,9 ˚C al di sotto della temperatura dell'aria ambiente, a potenza di raffreddamento di 40,1 watt per metro quadrato.
Tre dei ricercatori coinvolti in questo lavoro sono stati cofondatori Sistemi SkyCool la scorsa primavera nel tentativo di commercializzare la tecnologia. Goldstein è il chief technology officer della startup; Aaswath Raman, autore principale del documento originale e uno di Revisione della tecnologia del MIT 's 35 Innovators Under 35 nel 2015, ricopre il ruolo di amministratore delegato; e Shanhui Fan , un professore di ingegneria elettrica a Stanford, funge da consulente.
I pannelli di raffreddamento radiativo passivo di SkyCool sono in fase di valutazione in una prova sul campo a Davis, in California.
La scorsa settimana i ricercatori hanno pubblicato un follow-up carta in Energia della natura , dimostrando che una versione su larga scala della tecnologia può essere utilizzata per raffreddare l'acqua che scorre. Installando pannelli con tubi dell'acqua sottili che scorrono direttamente sotto di essi, i ricercatori hanno abbassato la temperatura dell'acqua di 5 ˚C in tre giorni di test. Il risultato suggerisce che la tecnologia può essere incorporata nei meccanismi di raffreddamento esistenti sostituendo o aumentando il componente del condensatore utilizzato nel condizionamento e nella refrigerazione convenzionali. Attraverso la modellazione, i ricercatori hanno dimostrato che l'integrazione della tecnologia in un edificio per uffici a due piani a Las Vegas ridurrebbe la richiesta di elettricità per il raffreddamento del 21% durante l'estate.
La possibilità di riadattare il sistema negli edifici esistenti, riducendo i costi per proprietari e inquilini, significa che il mercato potenziale è vasto. Circa il 14% della produzione totale di energia degli Stati Uniti va al raffreddamento di edifici residenziali e commerciali. Il programma Moonshot ARPA-E del Dipartimento dell'Energia, che fornito 3 milioni di dollari ai ricercatori SkyCool nel 2012, hanno scoperto che i pannelli di raffreddamento radiativo avanzati potrebbero ridurre dal 10 al 20 percento di tale utilizzo e ridurre le richieste di carico di punta sulla rete elettrica.
Ma potrebbero essere possibili risparmi energetici molto maggiori per gli sviluppatori che scelgono di incorporare sistemi di raffreddamento radiativo direttamente nei nuovi edifici durante la fase di progettazione, afferma Nick Fernandez, analista energetico presso il Pacific Northwest National Laboratory. Se il sistema fosse accoppiato con un sistema di raffreddamento radiante idronico, un modo raro ma altamente efficiente di raffreddare gli edifici che funziona facendo circolare l'acqua invece di soffiare aria, il risparmio energetico per riscaldamento, raffreddamento e ventilazione potrebbe raggiungere quasi il 70% in condizioni climatiche ideali , secondo un'analisi di simulazione pubblicato nel 2015 , di cui Fernandez è stato l'autore principale.
SkyCool non è l'unica azienda a perseguire questo mercato. A febbraio, un team di ingegneri dell'Università del Colorado, Boulder, ha pubblicato a carta in Scienza descrivendo un materiale ibrido vetro-polimero che ha raggiunto una potenza di raffreddamento radiativo a mezzogiorno di 93 (watt per metro quadrato) sotto la luce diretta del sole. I ricercatori hanno sottolineato di aver già capito come produrre in modo economico rotoli di materiale simile a una pellicola, rendendolo una tecnologia su larga scala potenzialmente praticabile sia per applicazioni residenziali che commerciali, secondo ad una pubblicazione universitaria.
Come il team di Stanford, i ricercatori della CU Boulder hanno raccolto fondi da ARPA-E, hanno richiesto un brevetto e formato una società, Radi-Cool. Gli scienziati sono in trattative con potenziali investitori e produttori, afferma Ronggui Yang, professore di ingegneria meccanica, coautore dell'articolo e CEO ad interim della startup.
I ricercatori di SkyCool, che si sono assicurati una quantità limitata di finanziamenti federali e privati aggiuntivi, continuano a migliorare l'efficienza dei materiali avanzati. Raman, l'amministratore delegato della startup, rifiuta di discutere l'eventuale prezzo del prodotto, ma ritiene che eventuali costi iniziali saranno compensati da risparmi energetici a lungo termine. Se un radiatore da tetto del tipo che SkyCool sta sviluppando potesse essere prodotto e installato a meno di 58 centesimi per piede quadrato, il risparmio energetico coprirebbe quei costi in circa cinque anni, ha stimato lo studio Pacific Northwest Lab.
L'azienda sta effettuando una prova sul campo della sua ultima generazione di pannelli a Davis, in California, a circa due ore da Burlingame nella Central Valley, valutando la tecnologia come un modo per potenziare sia i sistemi di condizionamento dell'aria che di refrigerazione commerciale.
Il prossimo importante traguardo di SkyCool sarà una dimostrazione su larga scala con un primo cliente o partner, che Raman e Goldstein sperano di iniziare il prossimo anno. Si rivolgono ad aziende con grandi esigenze di raffreddamento, come supermercati e data center, dove i risparmi energetici si sommano rapidamente. I colloqui con potenziali clienti sono già iniziati.