Un metodo di raffreddamento più efficiente, a risparmio energetico, ecologico e portatile è la direzione dell’incessante esplorazione umana. Recentemente, un articolo online sulla rivista Science ha riferito di una nuova strategia di refrigerazione flessibile scoperta da un gruppo di ricerca congiunto di scienziati cinesi e americani: la “refrigerazione termica torsionale”. Il gruppo di ricerca ha scoperto che modificando la torsione all’interno delle fibre si può ottenere un raffreddamento. Grazie alla maggiore efficienza di refrigerazione, alle dimensioni ridotte e all’applicabilità a vari materiali comuni, anche il “frigorifero a calore ritorto” realizzato sulla base di questa tecnologia è diventato promettente.
Questo risultato deriva dalla ricerca cooperativa del team del professor Liu Zunfeng del Laboratorio chiave statale di biologia chimica farmaceutica, della Scuola di Farmacia e del Laboratorio chiave dei polimeri funzionali del Ministero dell'Istruzione dell'Università di Nankai, e del team di Ray H. Baugman , professore della Texas State University, Dallas Branch, e Yang Shixian, docente della Nankai University.
Basta abbassare la temperatura e girarlo
Secondo i dati dell’International Refrigeration Research Institute, il consumo elettrico di condizionatori e frigoriferi nel mondo rappresenta attualmente circa il 20% del consumo elettrico globale. Il principio ampiamente utilizzato della refrigerazione a compressione d’aria oggigiorno ha generalmente un’efficienza di Carnot inferiore al 60% e i gas rilasciati dai processi di refrigerazione tradizionali stanno esacerbando il riscaldamento globale. Con la crescente domanda di refrigerazione da parte degli esseri umani, esplorare nuove teorie e soluzioni sulla refrigerazione per migliorare ulteriormente l’efficienza della refrigerazione, ridurre i costi e ridurre le dimensioni delle apparecchiature di refrigerazione è diventato un compito urgente.
La gomma naturale genererà calore quando allungata, ma la temperatura diminuirà dopo la retrazione. Questo fenomeno è chiamato “refrigerazione termica elastica”, scoperto già all’inizio del XIX secolo. Tuttavia, per ottenere un buon effetto di raffreddamento, la gomma deve essere preallungata fino a 6-7 volte la propria lunghezza e quindi ritratta. Ciò significa che la refrigerazione richiede un grande volume. Inoltre, l’attuale efficienza di Carnot della “refrigerazione termica” è relativamente bassa, di solito solo circa il 32%.
Attraverso la tecnologia del “raffreddamento torsionale”, i ricercatori hanno allungato due volte l’elastomero di gomma fibrosa (deformazione al 100%), quindi hanno fissato entrambe le estremità e lo hanno attorcigliato da un’estremità per formare una struttura Superhelix. Successivamente si è verificata una rapida distorsione e la temperatura delle fibre di gomma è diminuita di 15,5 gradi Celsius.
Questo risultato è superiore all'effetto di raffreddamento ottenuto con la tecnologia della "refrigerazione termica elastica": la gomma che viene allungata 7 volte più a lungo si contrae e si raffredda fino a 12,2 gradi Celsius. Tuttavia, se la gomma viene attorcigliata, estesa e rilasciata contemporaneamente, la "refrigerazione termica torsionale" può raffreddarsi fino a 16,4 gradi Celsius. Liu Zunfeng ha affermato che con lo stesso effetto di raffreddamento, il volume della gomma della 'refrigerazione termica torsionale' è solo due terzi di quello della gomma della 'refrigerazione termica elastica' e la sua efficienza Carnot può raggiungere il 67%, di gran lunga superiore al principio dell'aria refrigerazione a compressione.
Anche la lenza da pesca e la lenza tessile possono essere raffreddate
I ricercatori hanno affermato che c’è ancora molto spazio per miglioramenti nella gomma come materiale di “refrigerazione termica torsionale”. Ad esempio, la gomma ha una consistenza morbida e richiede molte torsioni per ottenere un raffreddamento significativo. La sua velocità di trasferimento del calore è lenta e devono essere considerati problemi come l'uso ripetuto e la durata del materiale. Pertanto, l’esplorazione di altri materiali di “refrigerazione torsionale” è diventata un’importante direzione rivoluzionaria per il gruppo di ricerca.
È interessante notare che abbiamo scoperto che lo schema del "raffreddamento termico torsionale" è applicabile anche alle lenze da pesca e tessili. In precedenza, le persone non si rendevano conto che questi materiali ordinari potevano essere utilizzati per il raffreddamento “, ha detto Liu Zunfeng.
I ricercatori hanno prima attorcigliato queste fibre polimeriche rigide e formato una struttura elicoidale. L'allungamento dell'elica può aumentare la temperatura, ma dopo aver retratto l'elica, la temperatura diminuisce.
L’esperimento ha scoperto che utilizzando la tecnologia del “raffreddamento termico torsionale”, il filo intrecciato in polietilene può generare un calo di temperatura di 5,1 gradi Celsius, mentre il materiale viene allungato e rilasciato direttamente senza quasi alcun cambiamento di temperatura osservato. Il principio del 'raffreddamento termico torsionale' di questo tipo di fibra di polietilene è che durante il processo di allungamento e contrazione, la torsione interna dell'elica diminuisce, portando a cambiamenti di energia. Liu Zunfeng ha affermato che questi materiali relativamente duri sono più durevoli delle fibre di gomma e la velocità di raffreddamento supera quella della gomma anche se allungata molto brevemente.
I ricercatori hanno anche scoperto che l’applicazione della tecnologia di “raffreddamento termico torsionale” alle leghe a memoria di forma di nichel titanio con maggiore resistenza e trasferimento di calore più rapido si traduce in migliori prestazioni di raffreddamento ed è necessaria solo una torsione inferiore per ottenere un maggiore effetto di raffreddamento.
Ad esempio, attorcigliando insieme quattro fili in lega di nichel titanio, il calo di temperatura massimo dopo lo srotolamento può raggiungere 20,8 gradi Celsius e il calo di temperatura medio complessivo può anche raggiungere 18,2 gradi Celsius. Questo valore è leggermente superiore al raffreddamento di 17,0 gradi Celsius ottenuto utilizzando la tecnologia di "refrigerazione termica". Un ciclo di refrigerazione dura solo circa 30 secondi “, ha detto Liu Zunfeng.
In futuro la nuova tecnologia potrà essere utilizzata nei frigoriferi
Basandosi sulla tecnologia della “refrigerazione termica torsionale”, i ricercatori hanno creato un modello di frigorifero in grado di raffreddare l’acqua corrente. Hanno utilizzato tre fili in lega di nichel titanio come materiali di raffreddamento, ruotando di 0,87 giri per centimetro per ottenere un raffreddamento di 7,7 gradi Celsius.
Questa scoperta ha ancora molta strada da fare prima della commercializzazione dei 'frigoriferi a calore twistato', con opportunità e sfide, "ha affermato Ray Bowman. Liu Zunfeng ritiene che la nuova tecnologia di refrigerazione scoperta in questo studio abbia ampliato un nuovo settore nel campo della refrigerazione. Fornirà un nuovo modo per ridurre il consumo di energia nel campo della refrigerazione.
Un altro fenomeno speciale nella "refrigerazione termica torsionale" è che diverse parti della fibra presentano temperature diverse, causate dalla distribuzione periodica dell'elica generata dalla torsione della fibra lungo la direzione della lunghezza della fibra. I ricercatori hanno rivestito la superficie del filo in lega di nichel titanio con un rivestimento in termocromismo per realizzare una fibra che cambia colore con il “raffreddamento torsionale”. Durante il processo di torsione e detorsione, la fibra subisce cambiamenti di colore reversibili. Può essere utilizzato come nuovo tipo di elemento sensibile per la misurazione ottica remota della torsione della fibra. Ad esempio, osservando i cambiamenti di colore ad occhio nudo, si può sapere quante rivoluzioni ha fatto il materiale in lontananza, il che è un sensore molto semplice. “Liu Zunfeng ha affermato che, sulla base del principio del “raffreddamento termico torsionale”, alcune fibre possono essere utilizzate anche per tessuti che cambiano colore in modo intelligente.
Orario di pubblicazione: 13 luglio 2023