Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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Università di Trento
A causa del riscaldamento globale e della crescente frequenza delle ondate di calore, i sistemi di raffrescamento sono diventati essenziali per miliardi di persone. Oggi nel mondo sono in funzione circa 2 miliardi di condizionatori d’aria, un numero che, secondo le stime, potrebbe raggiungere i 5,6 miliardi entro il 2050. I sistemi attualmente più diffusi, basati sulla compressione di vapore, richiedono quantità significative di energia elettrica e impiegano fluidi refrigeranti caratterizzati da un elevato impatto ambientale. In caso di installazione, manutenzione o smaltimento non corretti, questi fluidi possono inoltre essere rilasciati accidentalmente nell’ambiente. Rendere il raffrescamento più efficiente e sostenibile rappresenta quindi una delle principali sfide tecnologiche dei prossimi anni.
In questo scenario, il raffreddamento allo stato solido si sta affermando come una possibile alternativa ai sistemi convenzionali. La differenza principale riguarda il tipo di refrigerante utilizzato: mentre i sistemi tradizionali si basano su un fluido, quelli allo stato solido impiegano materiali capaci di modificare reversibilmente la propria temperatura in risposta all’applicazione e alla successiva rimozione di uno stimolo esterno.
Questo comportamento è alla base dei cosiddetti effetti calorici. A seconda dello stimolo applicato, si distinguono l’effetto elastocalorico, indotto da una sollecitazione meccanica; quello magnetocalorico, associato a un campo magnetico; quello elettrocalorico, generato da un campo elettrico; e quello barocalorico, prodotto da una pressione idrostatica. Tra queste tecnologie, il raffreddamento elastocalorico è considerato una delle alternative più promettenti ai sistemi tradizionali.
Figura 1. Confronto schematico tra il tradizionale ciclo di raffreddamento a compressione di vapore (a sinistra) e il raffreddamento allo stato solido basato sugli effetti calorici (a destra).
Negli elastomeri, l’effetto elastocalorico è legato principalmente alla termoelasticità. Quando un elastomero viene stirato rapidamente, le sue macromolecole, inizialmente disposte in una configurazione disordinata e ad alta entropia, tendono a orientarsi nella direzione della deformazione. Questa riorganizzazione determina una diminuzione dell’entropia e un aumento della temperatura del materiale. Quando la sollecitazione viene rimossa, le macromolecole tendono a ritornare verso la configurazione iniziale, più disordinata. Il materiale si raffredda e assorbe calore dall’ambiente. L’applicazione e la rimozione ciclica di una semplice sollecitazione meccanica possono quindi essere utilizzate per realizzare un ciclo di refrigerazione.
Figura 2. Rappresentazione schematica dell’effetto elastocalorico negli elastomeri (ΔSconf = variazione dell’entropia configurazionale).
Tra i materiali elastocalorici, la gomma naturale è uno dei candidati più interessanti. Si tratta infatti di una risorsa rinnovabile, economica e non tossica, caratterizzata da un’elevata resistenza alla fatica e da notevoli proprietà elastocaloriche.
In questo materiale, alla risposta termoelastica si aggiunge il fenomeno della cristallizzazione indotta dalla deformazione. Durante l’allungamento, l’orientamento delle macromolecole favorisce la formazione di strutture cristalline temporanee, che contribuiscono in modo significativo alla variazione di temperatura della gomma.
Figura 3. Rappresentazione schematica dei due principali contributi all’effetto elastocalorico della gomma naturale: l’effetto termoelastico e la cristallizzazione indotta dalla deformazione, che concorrono alla variazione di temperatura del materiale.
Nonostante queste caratteristiche favorevoli, le tecnologie di raffreddamento allo stato solido presentano ancora prestazioni inferiori rispetto ai sistemi convenzionali a compressione di vapore. Sono quindi necessari ulteriori sviluppi prima che possano diventare realmente competitive. Anche nel caso della gomma naturale, non tutti i parametri che ne influenzano il comportamento elastocalorico sono ancora pienamente compresi. Individuarli è fondamentale per ottimizzare le prestazioni del materiale e sviluppare sistemi di raffreddamento più efficienti.
In questo contesto si inserisce il lavoro di dottorato svolto presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento. La ricerca ha avuto l’obiettivo di comprendere in che modo la struttura interna e la formulazione della gomma possano influenzare le proprietà elastocaloriche dei materiali a base di gomma naturale. L’attività si è sviluppata lungo due direttrici principali: lo studio dell’influenza della densità di reticolazione e l’analisi degli effetti prodotti dall’aggiunta di nanoriempitivi.
La prima parte del lavoro ha riguardato la preparazione e la caratterizzazione di diverse formulazioni di gomma naturale, contraddistinte da differenti densità di reticolazione. Questo parametro determina il grado di libertà con cui le catene polimeriche possono orientarsi quando il materiale viene deformato, influenzandone direttamente la risposta alla sollecitazione. I materiali sono stati caratterizzati dal punto di vista strutturale, termico e meccanico e, successivamente, ne sono state analizzate le proprietà elastocaloriche. I risultati hanno mostrato che la densità di reticolazione svolge un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni di raffreddamento della gomma naturale.
In particolare, una minore densità di reticolazione ha migliorato la capacità di raffreddamento, favorendo sia il contributo termoelastico sia la cristallizzazione indotta dalla deformazione. Tra le formulazioni analizzate, quella caratterizzata dalla densità di reticolazione più bassa ha fornito i risultati più interessanti, raggiungendo durante il raffreddamento una variazione di temperatura di circa 12 °C. La struttura interna della gomma è emersa quindi come un elemento chiave per lo sviluppo di materiali elastocalorici più efficienti.
Figura 4. Variazione della temperatura di uno dei provini durante le fasi di allungamento e rilascio, misurata mediante una macchina per prove di trazione ad alta velocità, con una deformazione massima applicata del 500%. (A) Andamento della temperatura in funzione del tempo. (B) Corrispondenti immagini della temperatura superficiale acquisite mediante termocamera a infrarossi.
Partendo dalla formulazione che aveva mostrato le prestazioni più promettenti, la seconda parte della ricerca si è concentrata sull’aggiunta di nanoriempitivi a base di argilla. Sono state studiate due tipologie di nanoargilla, una naturale e una organomodificata, introdotte nella gomma in quantità differenti. L’obiettivo era comprendere se queste particelle potessero modificare non soltanto le proprietà meccaniche del materiale, ma anche la sua risposta elastocalorica. I risultati hanno evidenziato differenze significative tra i due sistemi. La migliore dispersione della nanoargilla organomodificata all’interno della matrice di gomma ha prodotto un miglioramento della rigidezza e della resistenza meccanica e, soprattutto, un notevole incremento delle prestazioni di raffreddamento rispetto ai sistemi contenenti nanoargilla naturale.
I campioni di gomma naturale contenenti argilla organomodificata hanno raggiunto un aumento fino a circa il 45% del calore assorbito per ciclo di refrigerazione rispetto alla gomma naturale priva di riempitivi. Questo miglioramento è stato attribuito alla combinazione di più fenomeni: una maggiore cristallizzazione indotta dalla deformazione, una struttura macromolecolare più omogenea e possibili effetti di amplificazione della deformazione favoriti dalla presenza delle organoargille.
Nel complesso, la ricerca ha dimostrato che le prestazioni elastocaloriche non dipendono soltanto dalle condizioni con cui un materiale viene deformato, ma anche, e soprattutto, dalla sua struttura interna e dalla sua formulazione. La possibilità di controllare la densità di reticolazione della gomma e di modificarne la struttura mediante l’aggiunta di nanoriempitivi apre nuove prospettive per la progettazione di materiali elastocalorici più efficienti. I risultati della ricerca rappresentano così un passo avanti verso lo sviluppo di tecnologie di raffreddamento allo stato solido capaci di ridurre il consumo di energia e l’impatto ambientale dei sistemi di climatizzazione.
