Gli ingegneri dell'Università del Texas a Dallas hanno trasformato il legno comune in una sorta di batteria termica in grado di immagazzinare e rilasciare calore senza elettricità. Questo materiale resistente e a tenuta stagna potrebbe un giorno contribuire a mantenere gli edifici confortevoli consumando molta meno energia.
Un team di ingegneri ha trasformato il legno comune in una sorta di batteria termica che potrebbe contribuire a mantenere gli edifici confortevoli consumando molta meno energia.
I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e i loro collaboratori hanno sviluppato e brevettato un materiale a base di legno che immagazzina e rilascia calore, alleggerendo potenzialmente il carico su condizionatori e riscaldatori. Il lavoro, pubblicato nella rivista Materiali Oggi Energia, fa parte di un crescente impegno per rendere gli edifici più efficienti dal punto di vista energetico, poiché il cambiamento climatico fa aumentare la domanda di raffreddamento e riscaldamento.
L'idea chiave è quella di utilizzare il legno come struttura portante per i materiali a cambiamento di fase, o PCM. Si tratta di sostanze che assorbono calore durante la fusione e lo rilasciano durante la solidificazione, proprio come il ghiaccio assorbe calore quando si trasforma in acqua e lo restituisce quando si ricongela.
Secondo l'autore corrispondente Shuang (Cynthia) Cui, professore associato di ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science dell'Università del Texas a Dallas, il nuovo composito si comporta come un pacco termico ricaricabile integrato nelle pareti.
"Il nostro materiale agisce come una batteria termica che si carica assorbendo calore", ha affermato Cui in un comunicato stampa.
Negli edifici, questo tipo di accumulo termico passivo potrebbe rivelarsi molto efficace. Invece di affidarsi esclusivamente a sistemi meccanici, parti della struttura stessa potrebbero contribuire ad attenuare le oscillazioni di temperatura nel corso della giornata.
Cui ha spiegato che il materiale è progettato per assorbire il calore in eccesso quando le temperature aumentano e poi rilasciarlo lentamente quando le condizioni si raffreddano.
"Durante l'estate, ad esempio, il materiale a cambiamento di fase assorbirà e immagazzinerà il calore dall'esterno, riducendo l'aumento della temperatura ambiente", ha affermato. "Se l'edificio incorpora una quantità sufficiente di materiale a cambiamento di fase, potrebbe non essere necessario accendere l'aria condizionata".
Questo concetto, noto come accumulo di energia termica, sta attirando l'attenzione come un modo per ridurre i picchi di domanda di elettricità e sfruttare al meglio le energie rinnovabili. Invece di sprecare calore quando è abbondante, gli edifici possono accumularlo per un momento successivo.
"L'accumulo di energia termica offre una soluzione sfruttando il calore in eccesso dall'ambiente per un uso successivo, ad esempio immagazzinando il calore diurno per fornire calore durante le notti fredde", ha aggiunto la coautrice Bernadette Magalindan, dottoranda in ingegneria meccanica nel laboratorio di Cui e ricercatrice laureata in innovazione negli edifici del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti.
Ma i PCM presentano un grave svantaggio: molti di essi si fondono in liquidi, che possono fuoriuscire da qualsiasi elemento in cui sono incorporati. Una soluzione alternativa comune è quella di sigillare il PCM all'interno di capsule o di mescolarlo con un materiale ospite separato. Questo può prevenire le perdite, ma il materiale ospite di solito non immagazzina calore, limitando le prestazioni complessive.
Il team ha affrontato questo problema riprogettando il legno dall'interno verso l'esterno.
Il legno è composto naturalmente da diversi componenti, tra cui la lignina, che conferisce alle piante rigidità e struttura. I ricercatori hanno rimosso la lignina dal legno, lasciando una struttura spugnosa, costellata di minuscoli pori. Questo scheletro poroso è diventato il modello per il PCM.
Hanno poi infuso il legno con un materiale a cambiamento di fase miscelato con un ingrediente che si trasforma in una plastica morbida. Quando il PCM si scioglie, la plastica morbida aiuta a mantenerlo in posizione, prevenendo perdite e rinforzando al contempo il legno.
Il risultato è un composito che può fondersi e solidificarsi ripetutamente senza trasudare o sgretolarsi. Nei test, il materiale non ha mostrato perdite né si è degradato dopo oltre 1,000 cicli di riscaldamento e raffreddamento, il che suggerisce che potrebbe resistere ad anni di utilizzo quotidiano in un edificio.
Il coautore Hongbing Lu, professore di ingegneria meccanica, titolare della cattedra Louis Beecherl Jr. e direttore del Mechanics of Advanced Materials Laboratory presso l'UT Dallas, ha sottolineato che la durabilità è importante tanto quanto le prestazioni energetiche.
"A differenza di molti materiali di accumulo di energia che sacrificano la resistenza, questi compositi a cambiamento di fase modellati in legno mantengono l'integrità meccanica sotto ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento, rendendoli sia efficienti dal punto di vista energetico che meccanicamente durevoli, fattori essenziali per l'uso a lungo termine negli edifici", ha affermato Lu nel comunicato stampa.
Poiché il composito ha origine dal legno, potrebbe essere potenzialmente adattato per l'uso in componenti edilizi come pannelli murali, pavimenti o materiali per coperture. Se prodotti su larga scala, questi prodotti potrebbero contribuire a ridurre le dimensioni o i tempi di funzionamento dei sistemi HVAC convenzionali, riducendo sia le bollette energetiche che le emissioni di gas serra.
Il progetto evidenzia anche come ricercatori universitari e laboratori nazionali possano collaborare per affrontare le sfide climatiche ed energetiche. Il team dell'Università del Texas a Dallas ha collaborato con scienziati del National Renewable Energy Laboratory, recentemente ribattezzato National Laboratory of the Rockies, nonché con l'Università del Colorado a Boulder, il Lawrence Berkeley National Laboratory e l'Università della California, Berkeley. Cui ricopre un incarico congiunto presso il laboratorio nazionale delle Montagne Rocciose, dove in precedenza ha lavorato come ricercatrice post-dottorato e ricercatrice scientifica.
Per gli studenti coinvolti nel lavoro, il progetto ha offerto un posto in prima fila nel processo di trasformazione di un concetto di laboratorio in una potenziale tecnologia commerciale.
"È stato entusiasmante partecipare a questo progetto, che sta mostrando risultati promettenti per edifici più confortevoli ed efficienti dal punto di vista energetico", ha aggiunto il coautore Gustavo Felicio Perruci, dottorando in ingegneria meccanica co-relazionato da Lu e Cui. "Lavorare con i nostri partner di laboratorio nazionali mi ha fornito un'esperienza inestimabile e ha aperto porte importanti, dimostrando come team interdisciplinari possano trasformare materiali sostenibili in soluzioni concrete".
I ricercatori intendono continuare a perfezionare il materiale e a esplorare come integrarlo in edifici reali. I passi futuri includono l'ottimizzazione della composizione per diversi climi, la sperimentazione di prototipi su larga scala e la collaborazione con partner industriali per portare la tecnologia sul mercato.
Se avranno successo, le batterie termiche a base di legno potrebbero diventare un alleato silenzioso ma potente nello sforzo di rendere case, scuole e uffici più sostenibili, semplicemente lasciando che siano le pareti a fare la maggior parte del lavoro.