Il metamateriale italiano che raffredda l’ambiente senza scaldarsi di ENEA: cos’è e come funziona

L'ENEA (l'agenzia italiana per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile) ha brevettato un nuovo metamateriale che riesce a raffreddare un oggetto o un ambiente senza riscaldarsi. Questo perché è in grado di riflettere la radiazione solare e, invece che dissipare il calore nell'ambiente circostante, lo spedisce direttamente nello spazio. Come? Tramite un fenomeno chiamato raffreddamento radiativo, cioè cessione di energia termica tramite emissione elettromagnetica. Il metamateriale sfrutta una cosiddetta finestra di trasparenza dell'atmosfera, cioè un'intervallo di frequenze elettromagnetiche che possono agilmente attraversare la nostra atmosfera fino a raggiungere lo spazio esterno. Il materiale funziona senza l'utilizzo di energia elettrica e riesce a raggiungere una temperatura fino a 12 °C inferiore alla temperatura esterna. Sebbene non sia stato ancora provato all'esterno, in futuro potrebbe essere applicato per nuovi tessuti o per l'isolamento termico di edifici.

Come funziona il metamateriale di Enea che sfrutta il raffreddamento radiativo passivo

L'innovazione ha come protagonista metamateriale, cioè un materiale che viene prodotto artificialmente manipolando la struttura di materiali già esistenti in modo da ottenere delle proprietà inesistenti in natura. In questo caso specifico, alcuni composti metallici sono stati configurati in modo da ottenere delle proprietà ottiche uniche, che sembrano quasi sfidare le leggi della termodinamica.

Il nuovo materiale sfrutta un fenomeno che si chiama raffreddamento radiativo, un processo in cui un corpo cede calore verso l'ambiente circostante (appunto, si raffredda) sotto forma di radiazione elettromagnetica, tipicamente radiazione infrarossa. L'esempio di raffreddamento radiativo più comune è quello del nostro pianeta. Di notte, infatti, senza il Sole che scalda la parte della Terra non rivolta verso la nostra stella, questa cede calore nello spazio sotto forma di radiazione infrarossa. In questo modo la temperatura diminuisce.

Proprio come la Terra, il nuovo materiale riesce a raffreddarsi senza dissipare calore nell'ambiente circostante ma, piuttosto, spedendolo direttamente nello spazio, che è molto freddo. In questo modo il materiale riesce a raffreddare l'ambiente senza però riscaldarsi.

Come fa il nuovo materiale a raffreddare gli oggetti senza scaldarsi

Il metamateriale in questione è stato sviluppato per avere contemporaneamente due proprietà: un'elevata riflettanza solare (ossia la capacità di un materiale di riflettere la radiazione solare) e un'elevata emissività termica, ma solo in alcuni intervalli di lunghezze d'onda. Per capire come funziona il nuovo materiale dobbiamo prima spiegare cosa sono le finestre di trasparenza dell'atmosfera.

Sappiamo che non tutte le lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica del Sole riescono a raggiungere la Terra e viceversa non tutte quelle emesse dalla Terra raggiungono lo spazio. Gli intervalli di lunghezza d'onda per cui l'atmosfera è trasparente, permette il passaggio di radiazione elettromagnetica, sono chiamati "finestre atmosferiche".

Il nuovo materiale ingegnerizzato sfrutta il passaggio dei raggi infrarossi nell'intervallo di lunghezze d'onda comprese tra 8 e 13 micron (1 micron è un millesimo di millimetro). Per raffreddare senza riscaldarsi, questo metamateriale deve quindi riflettere tutte le radiazioni solari tranne che in questa specifica finestra di trasparenza dell'atmosfera. Allo stesso tempo, sempre solo in questo intervallo della finestra, deve avere elevata emissività termica.

In questo modo il materiale riesce a riflettere sempre il calore, tranne che nell'intervallo della finestra di trasparenza dell'atmosfera, dove non riflette calore ma lo emette, e può quindi spedirlo nell'universo. Queste proprietà funzionano grazie alla presenza di superfici spettralmente selettive, che emettono o riflettono gli infrarossi come gli conviene.

Come viene prodotto questo metamateriale italiano

Il materiale viene prodotto con un processo chiamato sputtering, ossia una deposizione del materiale su superfici adesive. Nelle sperimentazioni effettuate, il materiale è stato depositato su un substrato metallico, poi protetto da un involucro trasparente in modo da creare una camera in cui il metamateriale fosse isolato.

Ai nostri occhi l'oggetto della sperimentazione appare come una specie di scatola rettangolare che sembra vuota, ma è realizzata con lastre in acrilico e riempite di krypton, un gas nobile che serve ridurre al minimo la convenzione del calore.

Tramite l'utilizzo di software sono state simulate le proprietà ottiche ricercate, che hanno poi suggerito in che ordine deporre i materiali coinvolti. Si tratta di composti d'argento, strati di nitruro di alluminio, ossido di alluminio, nitruro di silicio e simili. Insomma, tutti materiali già esistenti ma che, disposti in modo inedito tramite il processo di deposizione, hanno acquisito delle nuove proprietà nella loro nuova configurazione.

Dalle prime valutazioni delle performance, ENEA dichiara che il nuovo metamateriale riesce a mantenere una temperatura più bassa rispetto a quella circostante, ottenendo una differenza di temperatura, e quindi raffreddando l'ambiente, fino a 12 °C in meno.

Possibili utilizzi del nuovo metamateriale di Enea

Il principale vantaggio del nuovo materiale è che è un metodo di raffreddamento passivo, che non utilizza energia per raffreddare l'ambiente (al contrario del funzionamento di un condizionatore). L'invenzione, dopo gli opportuni sviluppi, potrebbe essere utilizzata per raffreddare gli edifici, ma anche per alimenti e tessuti o per gli impianti industriali. Si inizia a pensare alla deposizione dello strato di composti metallici su pareti o su facciate degli edifici, o in alternativa potrebbe essere qualcosa da integrare con un fan coil.

Intanto ENEA continua la sua sperimentazione; il materiale deve ancora essere testato fuori dal laboratorio. Altri esperimenti riguardano l l'esposizione del materiale alla luce diretta del sole e la valutazione delle sue performance, così come il suo funzionamento senza la presenza di gas nobile. Il progetto è ben lontano dall'essere applicato ma potrebbe sicuramente essere impattante in ottica del contrasto al riscaldamento globale.

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