Il raffreddamento radiativo combatte il cambiamento climatico utilizzando lo spazio come dissipatore di calore

Con l’espansione e l’addensamento delle città aumentano le superfici in cemento e asfalto. Edifici e strade assorbono calore, riscaldando l’ambiente circostante e accrescendo il fabbisogno di climatizzazione. Le emissioni dipendono anche dalle fonti energetiche. Per questo un gruppo di ricercatori dell’Università del Maryland ha sviluppato una soluzione: un rivestimento microporoso chiamato cooling glass, presentato nel 2023, che sfrutta il raffreddamento radiativo. Si tratta di un rivestimento contenente vetro, non del comune vetro trasparente per finestre.

La svolta del raffreddamento radiativo

L’impegno contro il cambiamento climatico comprende anche l’uso più efficiente dell’elettricità prodotta. Il cooling glass combina due meccanismi: un’elevata albedo, che riflette gran parte della radiazione solare, e l’emissione di calore sotto forma di radiazione infrarossa verso lo spazio attraverso intervalli di lunghezze d’onda ai quali l’atmosfera è relativamente trasparente. La riflessione della luce solare e l’emissione di radiazione termica sono processi diversi. Il fondo cosmico, a circa −270 °C, costituisce un riferimento freddo; il vuoto non allontana il calore per convezione.

Nel loro articolo scientifico, gli autori descrivono così il materiale:

«Un composito fotonico disordinato formato da una struttura di vetro microporoso con emissione selettiva nell’infrarosso a onda lunga e riflettanza solare relativamente elevata, insieme a particelle di ossido di alluminio che diffondono fortemente la luce solare e impediscono la densificazione della struttura porosa durante la produzione».

Il rivestimento ha dato buoni risultati in condizioni diverse. Il metodo di produzione potrebbe prestarsi a una scala maggiore, ma nel 2023 i ricercatori proseguivano le verifiche e lo sviluppo delle applicazioni pratiche.

Fonte: www.cera.cool

Quanto alle prestazioni, il riassunto dello studio afferma:

«Questo rivestimento di vetro microporoso consente un calo di temperatura di circa 3,5 °C a mezzogiorno e 4 °C di notte, anche in ambienti con umidità elevata, fino all’80 per cento».

Le misurazioni dettagliate precisano le condizioni: a mezzogiorno il rivestimento era circa 3,5 °C più freddo dell’aria circostante a 30 °C, con umidità relativa del 30 per cento. Di notte era circa 4 °C più freddo dell’aria a 17,5 °C, con umidità fino all’80 per cento. Le simulazioni dei tetti di edifici residenziali di media altezza indicavano una possibile riduzione di circa il 10 per cento delle emissioni annue di anidride carbonica legate al raffrescamento. Non era una riduzione generalmente misurata di tutte le emissioni dell’edificio.

Il raffreddamento radiativo non è nuovo. L’interesse risiede qui nella combinazione di prestazioni, resistenza all’ambiente esterno e possibilità di produrre il materiale su scala maggiore.

Che cos’è un dissipatore di calore?

Un dissipatore assorbe calore da un altro oggetto e lo cede all’ambiente. Nei sistemi elettronici e meccanici contrasta il surriscaldamento. Il contatto con un componente caldo comporta in genere conduzione termica; il trasferimento all’ambiente può avvenire per convezione e irraggiamento. Il cooling glass descritto qui emette energia sotto forma di radiazione infrarossa verso il cielo e lo spazio.

I principali processi e le caratteristiche di un dissipatore sono i seguenti:

Conduzione termica: il calore si trasferisce attraverso un materiale. Un componente caldo, come un processore, cede calore al dissipatore con cui è a contatto.

Materiale: alluminio e rame sono comuni perché conducono bene il calore. Lo allontanano dal componente e lo distribuiscono su un’area maggiore.

Progettazione e superficie: alette e altre strutture aumentano l’area disponibile per lo scambio termico. Una maggiore quantità d’aria può così entrare in contatto con il dissipatore, migliorando la cessione del calore.

Convezione: l’aria o il liquido che scorre sulla superficie porta via il calore. Il raffreddamento passivo sfrutta anche la circolazione naturale dell’aria, mentre ventilatori e pompe intensificano lo scambio nei sistemi attivi.

Irraggiamento: il dissipatore emette anche energia sotto forma di radiazione infrarossa, contribuendo al raffreddamento.

L’efficacia dipende dalla conducibilità termica del materiale, dalla progettazione e dalla superficie, dalla temperatura ambiente e dal flusso d’aria o di liquido. Una buona gestione termica contribuisce all’affidabilità e alla durata dei sistemi elettronici e meccanici.

Che cos’è il raffreddamento radiativo?

È un processo naturale nel quale un oggetto perde energia emettendo radiazione, generalmente infrarossa alle temperature vicine a quelle della superficie terrestre. Contribuisce al bilancio energetico della Terra e può essere sfruttato in diverse tecnologie.

I principi fisici comprendono quanto segue:

Radiazione infrarossa: gli oggetti emettono radiazione elettromagnetica il cui spettro e la cui intensità dipendono dalla temperatura. Alle temperature ordinarie della superficie terrestre, la radiazione si concentra soprattutto nell’infrarosso. Un oggetto si raffredda quando le perdite energetiche superano gli apporti, tenendo conto anche degli altri scambi di calore.

Emissione verso lo spazio: alcuni intervalli di lunghezze d’onda infrarosse attraversano relativamente facilmente l’atmosfera, fra cui la finestra intorno a 8–13 micrometri. Una superficie adatta può così cedere calore allo spazio. Umidità, nubi e altre condizioni ambientali influiscono sul risultato.

Raffreddamento diurno e notturno: senza sole è più facile scendere sotto la temperatura dell’aria circostante. Di giorno l’energia solare assorbita contrasta il raffreddamento. Un materiale molto riflettente e progettato opportunamente può comunque raffreddarsi per irraggiamento anche di giorno, come mostra questo studio.

Rapporto con l’albedo: l’albedo descrive la frazione di radiazione solare riflessa, non soltanto la componente visibile. Un’albedo elevata riduce l’assorbimento di energia solare. Il raffreddamento radiativo riguarda invece l’emissione di radiazione termica. Le due proprietà si completano; una superficie scura può emettere infrarossi e restare comunque calda perché assorbe più luce solare.

Applicazioni: il raffreddamento radiativo viene studiato per edifici, veicoli e impianti tecnici. A seconda della progettazione e delle condizioni, può ridurre l’elettricità necessaria alla climatizzazione o migliorare l’efficienza dei sistemi di raffreddamento esistenti.

La riflessione della luce solare e l’emissione di radiazione infrarossa sono quindi processi diversi che, insieme, influiscono sul bilancio termico delle superfici naturali e artificiali.

Aziende impegnate nelle soluzioni per il clima

Le seguenti società quotate forniscono tecnologie energetiche o per la mobilità. Non vengono presentate come produttrici del cooling glass di questo studio.

Le tabelle conservano i dati storici dell’articolo del novembre 2023, non dati di mercato attuali verificati. L’utile per azione può riflettere la struttura azionaria dell’epoca. Un P/E negativo non è un multiplo di valutazione significativo per una società in perdita. I grafici e le quotazioni incorporati possono mostrare informazioni più recenti.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Grafico dei prezzi

FuelCell Energy (FCEL ) sviluppa, produce, gestisce e manutiene centrali a celle a combustibile. La conversione elettrochimica può migliorare l’efficienza e ridurre alcuni inquinanti rispetto a tecnologie di combustione analoghe. Gli impianti possono però utilizzare gas naturale, biogas o altri combustibili e non sono automaticamente privi di fonti fossili o di emissioni di anidride carbonica. Il beneficio climatico dipende dal combustibile, dall’efficienza e dall’eventuale utilizzo del calore residuo.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Grafico dei prezzi

Brookfield Renewable Partners (BEP ) gestisce un ampio portafoglio di impianti idroelettrici, eolici, solari e di accumulo in Nord e Sud America, Europa e Asia. Le quote sono negoziate anche a Toronto (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) è una struttura societaria distinta, le cui azioni scambiabili mirano a fornire un’esposizione economicamente equivalente alle quote della partnership. I titoli appartengono a categorie giuridicamente diverse. Il gruppo punta alla creazione di valore nel lungo periodo attraverso attività nelle energie rinnovabili.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Grafico dei prezzi

ChargePoint Holdings (CHPT ) fornisce apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici, servizi software e assistenza. Le soluzioni sono utilizzate nelle abitazioni, nelle aziende, nelle flotte e negli spazi pubblici. Favorendo la mobilità elettrica, possono ridurre la dipendenza dai carburanti derivati dal petrolio. L’effetto sulle emissioni dipende anche dalla produzione elettrica e dai veicoli.

Altre aziende che sviluppano il raffreddamento radiativo

CeraCool, società non quotata, lavora all’applicazione pratica e all’ampliamento della produzione nel raffreddamento radiativo. È stata fondata dai ricercatori del cooling glass presentato nello studio.

CeraCool  ha sviluppato una vernice che riflette la luce solare ed emette calore infrarosso. L’azienda la descrive come un sistema di raffreddamento senza consumo elettrico del rivestimento stesso, capace di riflettere oltre il 95 per cento della radiazione solare e contemporaneamente emettere calore verso lo spazio attraverso la finestra di trasparenza atmosferica. Ciò non significa che la vernice sostituisca tutta la climatizzazione in qualsiasi condizione. Secondo l’azienda, può essere spruzzata o applicata a pennello su superfici che si riscaldano, come tetti e alcune superfici stradali.

SkyCool Systems è un’altra società privata che opera nel raffreddamento radiativo.

SkyCool Systems sviluppa soluzioni di raffreddamento con materiali fortemente riflettenti che emettono radiazione infrarossa. I pannelli possono, fra l’altro, migliorare l’efficienza dei sistemi a compressione di vapore. La tecnologia mira a risparmi energetici e benefici ambientali, la cui entità dipende dall’installazione e dalle condizioni operative.

Considerazioni finali

L’impegno per il clima deve anche ridurre l’uso inefficiente dell’energia, affiancando le fonti sostenibili. Il raffreddamento radiativo può contribuire. In un intervento TED, Aaswath Raman discute il possibile circolo di aumento delle temperature, maggiore domanda di climatizzazione e relative emissioni, e come questa tecnologia possa aiutare a limitarlo.

Insieme ad altri progressi, come le celle fotovoltaiche micrometriche con contatti posteriori, le iniziative di aziende come CeraCool possono apportare benefici negli anni successivi all’articolo. Il risultato dipende dall’ampliamento della produzione e dalle prestazioni pratiche.