Effetto barocalorico: una nuova via per la sostenibilità nella refrigerazione?
L’effetto barocalorico è oggi uno dei fenomeni termodinamici più studiati nell’ambito delle tecnologie di raffreddamento alternative. In un contesto globale caratterizzato da una domanda crescente di climatizzazione e refrigerazione, la ricerca di soluzioni più efficienti e meno impattanti dal punto di vista ambientale è diventata una priorità strategica.
Proprio in questa direzione si inserisce una recente scoperta (pubblicata sulla rivista Nature), che deriva dal lavoro di un team guidato dal professor Bing Li, presso l’Institute of Metal Research della prestigiosa Accademia Cinese delle Scienze (maggiore istituzione accademica della Repubblica Popolare Cinese e maggiore organizzazione di ricerca al mondo).
Lo studio descrive un nuovo meccanismo definito “effetto barocalorico di dissoluzione” e osservato in soluzioni acquose di tiocianato di ammonio (NH₄SCN). Tale innovazione potrebbe rappresentare una svolta per la refrigerazione a basse emissioni, grazie alla combinazione di elevate prestazioni termiche e semplicità funzionale.
Che cos’è l’effetto barocalorico
Per comprendere il valore della scoperta è necessario partire dal principio fisico alla base dell’effetto barocalorico. Si tratta di un fenomeno per cui un materiale subisce una variazione di temperatura quando viene sottoposto a un cambiamento di pressione. In condizioni quasi adiabatiche, l’aumento o la diminuzione della pressione provoca una variazione entropica che si traduce in un riscaldamento o in un raffreddamento del sistema.
Il processo in esame appartiene alla più ampia famiglia degli effetti calorici, comprendenti anche quelli indotti da campi magnetici, elettrici o da sollecitazioni meccaniche. La peculiarità del contributo barocalorico risiede nel fatto che la pressione (grandezza relativamente facile da applicare e controllare in ambito industriale) può generare variazioni termiche significative, senza ricorrere a fluidi refrigeranti tradizionali con elevato potenziale di riscaldamento globale.
Storicamente, la maggior parte degli studi si è concentrata su materiali solidi che presentano transizioni di fase strutturali. In questi casi, la variazione di temperatura è associata a una riorganizzazione cristallina indotta dalla compressione. Tuttavia, tali materiali presentano limiti legati alla trasmissione del calore e alla complessità meccanica dei sistemi necessari per applicare la pressione.
Il nuovo effetto barocalorico di dissoluzione
La ricerca condotta dal gruppo cinese introduce un paradigma differente. Invece di basarsi su transizioni solido-solido, il sistema sfrutta l’equilibrio tra cristallizzazione e dissoluzione di un sale in soluzione acquosa.
Il meccanismo è tanto semplice quanto efficace. Quando la pressione aumenta, il tiocianato di ammonio tende a cristallizzare. Tale processo è esotermico e comporta il rilascio di calore verso l’esterno. In una fase successiva, riducendo la pressione, il sale si dissolve rapidamente nella soluzione. La dissoluzione è endotermica e assorbe calore dall’ambiente circostante, generando un marcato abbassamento della temperatura.
Il ciclo di cristallizzazione e dissoluzione è pertanto controllato unicamente dalla pressione e costituisce il cuore del nuovo effetto barocalorico. A differenza dei materiali solidi tradizionali, qui il fluido svolge simultaneamente il ruolo di materiale attivo e di mezzo di trasporto del calore. Ciò elimina molte delle inefficienze tipiche dei sistemi basati su elementi solidi, dove il trasferimento termico rappresenta spesso un collo di bottiglia.
Uno degli aspetti più sorprendenti emersi dallo studio riguarda l’entità delle variazioni di temperatura ottenibili. A temperatura ambiente, la soluzione di NH₄SCN è in grado di ridurre la propria condizione termica di circa 26,8–30 °C in appena 20 secondi durante la fase di depressurizzazione (valore superiore rispetto a quello registrato in diversi materiali barocalorici solidi finora analizzati in letteratura).
Dal punto di vista energetico, le simulazioni del ciclo mostrano che una singola iterazione può assorbire fino a 67 Joule di calore per grammo di soluzione. Ancora più significativo è il dato relativo all’efficienza di seconda legge, che raggiunge il 77%. Questo parametro misura quanto il ciclo reale si avvicini al comportamento termodinamico ideale, fornendo un’indicazione concreta delle potenzialità applicative del sistema.
Tali risultati suggeriscono che l’effetto barocalorico di dissoluzione non rappresenti soltanto un’interessante curiosità scientifica, ma una tecnologia con concrete prospettive di implementazione.
Confronto con la refrigerazione a compressione di vapore
La refrigerazione convenzionale è dominata dal ciclo a compressione di vapore: tecnologia estremamente diffusa e ottimizzata nel corso di oltre un secolo di sviluppo. Tuttavia, essa si basa su fluidi refrigeranti che, pur evolvendosi verso formulazioni meno impattanti, restano spesso associati a problematiche ambientali.
Secondo il rapporto Global Cooling Watch 2025 del Programma delle Nazioni Unite per l’Ambiente, la domanda globale di raffreddamento potrebbe più che triplicare entro il 2050 rispetto ai livelli del 2022, con un potenziale raddoppio delle emissioni legate alla climatizzazione. In questo scenario, soluzioni basate sull’effetto barocalorico potrebbero contribuire a ridurre l’impronta carbonica del settore.
Un sistema fondato sulla variazione di pressione di una soluzione liquida e priva di gas fluorurati ad alto GWP, è un’alternativa interessante. Inoltre, l’integrazione tra materiale attivo e fluido termovettore consente una semplificazione architetturale rispetto ai sistemi solidi, con potenziali vantaggi in termini di compattezza e manutenzione.
Struttura del ciclo operativo e possibili applicazioni
Il ciclo di refrigerazione proposto si articola in quattro fasi principali, che si susseguono in modo analogo ai cicli termodinamici tradizionali. In una prima fase, la pressurizzazione provoca la cristallizzazione del sale e il rilascio di calore. Successivamente, questo calore viene dissipato verso l’ambiente esterno. Nella terza fase, la depressurizzazione innesca la dissoluzione rapida del soluto, con conseguente assorbimento di calore. Infine, la capacità frigorifera generata viene utilizzata per raffreddare l’ambiente o il processo desiderato. La rapidità con cui avvengono i fenomeni di cristallizzazione e dissoluzione è un elemento chiave per garantire cicli veloci e potenze frigorifere elevate.
Ne consegue dunque che le potenziali applicazioni dell’effetto barocalorico di dissoluzione sono numerose. Nei data center (dove la gestione termica rappresenta una quota rilevante dei consumi energetici complessivi) una tecnologia ad alta efficienza potrebbe ridurre molto i costi operativi e le emissioni associate. Analogamente, nei processi industriali energivori, l’adozione di sistemi di raffreddamento alternativi potrebbe contribuire al miglioramento delle prestazioni ambientali.
Anche nel settore HVAC per grandi edifici commerciali o infrastrutture critiche, la possibilità di ottenere elevate variazioni di temperatura con pressioni moderate offre prospettive interessanti per la progettazione di impianti innovativi
