Raffreddamento elastocalorico a stato solido Una lega di metallo stampabile in 3D che può rendere i sistemi di raffreddamento, come quelli utilizzati nei frigoriferi, più ecologici ed efficienti

Un progetto internazionale di ricerca sui materiali ha prodotto una lega di metallo stampabile in 3D che può rendere i sistemi di raffreddamento, come quelli utilizzati nei frigoriferi, più ecologici ed efficienti.

Realizzato con una combinazione di nichel e titanio, il materiale è un tipo di lega a memoria di forma che può trasformarsi ripetutamente per pompare calore da un sistema. La sfida con tale materiale è stata storicamente quella del fallimento della lega dopo un numero limitato di cicli. Applicando la stampa 3D, Hou et al. sono stati in grado di mettere a punto la microstruttura delle parti in modo che possano essere riciclicate un milione di volte mantenendo le capacità di raffreddamento. Il metodo è chiamato raffreddamento elastocalorico a stato solido e ha il potenziale per trasformare il settore della refrigerazione e dell’HVAC da miliardi di dollari.

L’attuale standard nella tecnologia di raffreddamento è il raffreddamento a compressione di vapore. Inventato nel 1800 come mezzo per produrre ghiaccio, la compressione del vapore è il sistema utilizzato nella maggior parte delle unità di condizionamento dell’aria e dei frigoriferi industriali e commerciali. Il metodo utilizza un refrigerante liquido condensato. La miscela fredda, dopo essere stata sottoposta a una riduzione della pressione, viene instradata attraverso una bobina o tubi in un evaporatore. Una ventola quindi fa circolare aria calda su questa bobina / tubi, raffreddando l’aria nel processo.


Sebbene sia un metodo affidabile di refrigerazione, il raffreddamento a compressione di vapore ha i suoi svantaggi. Molti liquidi refrigeranti ancora utilizzati nel processo danneggiano lo strato di ozono terrestre. I liquidi alternativi contribuiscono anche al riscaldamento globale poiché rimangono nell’atmosfera per anni dopo l’uso. Non avendo impatti ecologici negativi si può usare l’ammoniaca, tuttavia questo composto è tossico e incompatibile con i comuni tubi di rame.

Per aiutare a sradicare gli effetti dannosi dei liquidi refrigeranti, i ricercatori hanno iniziato a cercare mezzi alternativi di raffreddamento . Il raffreddamento calorico è una possibile alternativa. Realizzando il potenziale dei materiali calorici, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DoE), lo Iowa State e il Laboratorio Ames hanno lanciato il consorzio CaloriCool per sviluppare tali materiali di conversione dell’energia per l’adozione industriale. Questa ricerca più recente si basa sulla conoscenza condivisa di questo gruppo.

Nel raffreddamento calorico ci sono tre tipi di tecnologia, magnetocalorica, elettrocalorica ed elastocalorica, ognuna riferita alla fonte di pressione applicata a un materiale che è rispettivamente campi magnetici, di sollecitazione ed elettrici. Tutti i metodi sono completamente privi di vapore.

La nuova lega di nichel-titanio è un esempio di materiale elastocalorico, quindi risponde alla pressione. È stato creato dal team mescolando polveri metalliche in un processo L-DED, producendo nanocompositi all’interno di oggetti stampati che ne miglioravano l’integrità meccanica. Se sottoposto a pressione, il materiale ha superato di gran lunga le prestazioni di altri materiali elastocalorici.

“La chiave di questa innovazione fondamentale, ma non spesso discussa, è la fatica dei materiali – si consumano”, ha commentato il professor Ichiro Takeuchi della UMD. “Questo è un problema quando le persone si aspettano che i loro frigoriferi durino per un decennio o più. Quindi, abbiamo affrontato il problema nel nostro studio. “

Secondo i risultati sperimentali, i test sul ciclo del materiale hanno dimostrato di migliorare “l’efficienza dei materiali di un fattore da quattro a sette – e prestazioni elastocaloriche ripetibili su 1 milione di cicli”.
L’articolo completo sulla discussione della scoperta, intitolato ” Materiali elastocalorici ad alte prestazioni resistenti alla fatica realizzati dalla produzione additiva ” è pubblicato sulla rivista Science . L’articolo è scritto da Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian, Cheikh Cissé, Drew Stasak, Naila Al Hasan, Lin Zhou, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Valery I. Levitas, Matthew J Kramer, Mohsen Asle Zaeem, Aaron P. Stebner, Ryan T. Ott, Jun Cui e Ichiro Takeuchi.

Un team di 18 persone, il consorzio di ricercatori sta lavorando attraverso l’Alleanza per lo sviluppo di tecnologie di elaborazione additiva (ADAPT), presso la Colorado School of Mines, l’Università del Maryland (UMD), l’Ames Laboratory, Iowa, Xi’an Università di Jiaotong, Cina e Iowa State University.

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