Pompa di calore auto-rigenerativa: il futuro del raffreddamento elettrocalorico

Tra le soluzioni emergenti in risposta alla crisi climatica, la pompa di calore auto-rigenerativa (SRHP) rappresenta una rivoluzione concettuale e funzionale nel settore del raffreddamento. Il riscaldamento globale e l’urgenza di transizioni energetiche sostenibili richiedono infatti proposte innovative nel campo del condizionamento e della refrigerazione.

I sistemi convenzionali a compressione di vapore, pur essendo ampiamente diffusi, sono tuttavia ancora caratterizzati da elevati consumi energetici, fluidi refrigeranti climalteranti e infrastrutture ingombranti. Per osteggiare queste criticità, la ricerca tecnologica ha individuato nei materiali elettrocalorici e nelle architetture a stato solido una direzione promettente.

Fondamenti fisici del raffreddamento elettrocalorico e struttura della pompa auto-rigenerativa

Il fenomeno elettrocalorico è l’effetto termico risultante dalla variazione dell’ordine dipolare interno di un materiale dielettrico, quando sottoposto a un campo elettrico. In termini termodinamici, l’applicazione di un campo elettrico in un materiale elettrocalorico ne aumenta l’entropia elettrica, riducendo quella termica e generando così un trasferimento di calore.

Dato che il processo è reversibile, se si rimuove il campo, il materiale si raffredda. A differenza dei sistemi termoelettrici, l’effetto elettrocalorico consente variazioni di temperatura elevate in materiali dielettrici, con un’efficienza teorica potenzialmente superiore.

Mediante i principi fisici appena descritti, la pompa di calore auto-rigenerativa proposta da alcuni ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della UCLA (University of California, Los Angeles) è potenzialmente in grado di sfruttare una cascata di film polimerici elettrocalorici sovrapposti e interconnessi funzionalmente. Ciò si traduce nell’eliminazione dal sistema di componenti ausiliari per il trasporto o lo scambio termico.

Scendendo più nel dettaglio, si può notare come ogni modulo che compone la suddetta pompa sia costituito da sei unità funzionali impilate. Ciascuna unità integra:

• film polimerici attivi con proprietà elettrocaloriche;
• elettrodi in nanotubi di carbonio per la distribuzione uniforme del campo elettrico;
• strati separatori in poliimmide per l’isolamento termico e la stabilità meccanica.

Questa configurazione consente un’alta densità funzionale, compattando il sistema in un volume minimo, senza sacrificare la capacità di raffreddamento.

Il principio di funzionamento della SRHP si basa sull’alternanza ciclica di compressione ed espansione dei film polimerici. Quando viene applicato un campo elettrico di intensità pari a 80 mV/m, i polimeri si comprimono, trasferendo calore alle pile adiacenti. All’interruzione del campo, il materiale si espande e si raffredda, sottraendo calore dall’ambiente circostante. Il ciclo termodinamico si completa in circa 30 secondi e può essere ripetuto ad alta frequenza.

Il design a cascata garantisce una direzionalità del flusso termico, con graduale dissipazione del calore verso l’esterno e concentrazione dell’effetto refrigerante nella zona di interesse. È stata osservata una riduzione di temperatura ambientale fino a 14 K, misurata tramite imaging termico a infrarossi, segno di un’efficace trasmissione del flusso termico.

Prestazioni, vantaggi tecnologici e applicazioni potenziali

La pompa di calore auto-rigenerativa raggiunge una potenza di raffreddamento specifica di 1,52 W/g, superando ampiamente le prestazioni dei refrigeratori convenzionali a compressione di vapore in rapporto peso-potenza. Tale risultato è significativo soprattutto per le applicazioni portatili o miniaturizzate, dove ogni grammo e ogni milliwatt contano.

Il consumo energetico minimo è un altro vantaggio: l’assenza di compressori, pompe o fluidi di trasporto riduce i consumi parassiti, migliorando il coefficiente di prestazione (COP) e la sostenibilità ambientale.

Proprio l’assenza di fluidi refrigeranti dannosi per l’atmosfera (come HFC o HCFC) e la mancanza di cicli di espansione o compressione di gas comportano emissioni climalteranti nulle in fase operativa e una riduzione dei costi di smaltimento e manutenzione.

Come detto, poi, il ciclo termico completo si realizza in circa 30 secondi: un tempo di risposta molto inferiore rispetto ai sistemi tradizionali. Questa caratteristica rende l’SRHP ideale per applicazioni in cui è necessaria una regolazione rapida e precisa della temperatura (tipo nell’elettronica avanzata o nei sistemi indossabili).

Le caratteristiche appena elencate trasformano la pompa di calore auto-rigenerativa in un’alternativa adatta a una vasta gamma di scenari applicativi:

• dispositivi indossabili e medicina personalizzata: il raffreddamento localizzato e silenzioso è cruciale per sensori, tute intelligenti o dispositivi per la termoregolazione corporea. L’SRHP può essere integrata in tessuti tecnici o patch elettroniche per monitorare e regolare la temperatura corporea;
• elettronica ad alta densità: nella microelettronica e nel settore dei semiconduttori, il controllo termico è essenziale per garantire affidabilità e durata. Le pompe SRHP potrebbero essere utilizzate per dissipare calore in microprocessori, GPU, dispositivi di telecomunicazione e laser a stato solido;
• sistemi di refrigerazione portatile: grazie al design compatto e all’assenza di parti in movimento, l’SRHP è idonea per frigoriferi portatili, contenitori termici intelligenti e dispositivi di raffreddamento da campo, senza necessità di batterie ad alta capacità o compressori;
• veicoli elettrici e aerospazio: la gestione termica in veicoli elettrici, droni e satelliti richiede soluzioni leggere, robuste e a basso consumo. L’SRHP può rispondere efficacemente a queste esigenze con una configurazione flessibile e scalabile.

Criticità tecnologiche e prospettive di sviluppo

Sebbene i risultati ottenuti siano promettenti, la tecnologia presenta ancora alcune limitazioni, tra cui:

• scalabilità industriale: la produzione in serie di film polimerici ad alta performance e di elettrodi nanostrutturati richiede ottimizzazione dei processi e riduzione dei costi;
• durabilità ciclica: l’affidabilità a lungo termine sotto cicli ripetuti di campo elettrico e stress meccanico deve essere validata per applicazioni reali;
• gestione del controllo elettronico: per ottenere una regolazione termica precisa e stabile, servono sistemi di controllo integrati in tempo reale che necessitano di componenti aggiuntivi, seppur leggeri.

È però interessante mettere a confronto la pompa di calore auto-rigenerativa con altre tecnologie di raffreddamento solido, come ad esempio l’effetto magnetocalorico o termoelettrico. Nello specifico emerge che, rispetto al magnetocalorico, la SRHP non richiede campi magnetici intensi né materiali rari.

Se invece paragonata ai moduli Peltier, garantisce maggiori variazioni di temperatura con minori perdite termiche e può operare su superfici flessibili e tridimensionali. Questi elementi rendono pertanto l’SRHP un’alternativa più versatile, con un potenziale applicativo superiore in molti casi pratici.