In un mondo sempre più caldo, emettere più radiazione verso lo spazio anziché provare ad assorbirne di meno potrebbe rivelarsi una scelta efficace
Il raffreddamento di un edificio è notoriamente un’operazione che richiede molta energia per alimentare i condizionatori. Una lunga serie di studi condotti in diverse università del mondo mostra però che gestendo accuratamente le capacità dei materiali di assorbire, riflettere ed emettere radiazioni è possibile creare delle superfici che restano più fredde dell’ambiente circostante, anche quando esposte direttamente alla luce del sole.
L’irraggiamento: la trasmissione del calore senza contatto
Ogni giorno sperimentiamo lo scambio di energia sotto forma di calore tra due corpi: scaldiamo l’acqua in una pentola mettendola su una fiamma accesa, soffiamo su un piatto caldo per raffreddarlo, stiamo alla luce del sole per scaldarci o ci ripariamo all’ombra se la temperatura è alta. Le modalità con cui il calore è trasmesso sono tre: conduzione, convezione e irraggiamento. Quando sentiamo parlare di riscaldamento globale ci riferiamo proprio a quest’ultima, l’irraggiamento. Le cariche di un atomo che oscillano emettono naturalmente radiazioni elettromagnetiche nella fascia compresa tra 0,1 e 100 μm e queste onde trasportano energia, anche nel vuoto. Il sole invia una grande quantità di radiazioni sulla terra e si dà il caso che, una volta arrivate al suolo, le onde emesse e riflesse da quest’ultimo si trovino proprio in una fascia di lunghezze d’onda tale che non riescono più ad attraversare l’atmosfera e che vengono riflesse riscaldando ulteriormente il pianeta. Di per sé è un fenomeno positivo, anche perché rende possibile la vita, ma le attività antropiche hanno modificato la composizione dell’atmosfera e questo scompenso ha fatto sì che da “riscaldamento” passassimo a “surriscaldamento”. Normalmente, nei posti caldi la radiazione solare è un nemico importante perché riscalda le pareti e i tetti degli edifici e quindi l’aria al loro interno, rendendo spiacevole la vita. La soluzione classica è stata quella di ripararsi in luoghi più freschi, magari all’ombra o sottoterra (ancora oggi lo sfruttiamo nelle cantine), o in tempi più recenti quella di spendere energia elettrica per alimentare i condizionatori. Ciò però è dannoso per l’ambiente, perché richiede enormi quantità di energia, magari anche non prodotta da fonti rinnovabili, e anche di risorse per la produzione delle apparecchiature, il loro funzionamento, la loro manutenzione e così via. In realtà, sembra esistere una soluzione diversa e si basa proprio sull’inevitabilità dell’irraggiamento. Gli atomi di ogni corpo, infatti, oscillano ed emettono radiazioni, mentre sono contemporaneamente investiti dalla radiazione di altri atomi, che in parte riflettono (come gli specchi riflettono la luce visibile), in parte assorbono ed in parte trasmettono (come il vetro che è trasparente alla luce visibile). Il trucco sta nel saper gestire i materiali in maniera tale da assorbire il minimo di radiazione dal sole e di emetterne invece molta e soprattutto della giusta lunghezza d’onda.
Uno spiraglio nell’atmosfera per spedire nello spazio il calore in eccesso
Di recente, la rivista di divulgazione Scientific American ha riportato i progressi in questo campo, che sono davvero molti. Tutto si basa su un fenomeno di cui si sente parlare poco anche negli ambienti accademici e nei corsi di termodinamica: il raffreddamento radiativo passivo (passive radiative cooling). L’interesse per questo fenomeno ha preso il volo nel 2014, dopo l’invenzione di particolari pannelli alla Stanford University in California da parte di un team di studiosi di cui facevano parte Shanhui Fan, Aaswath Raman ed Eli Goldstein, i quali hanno poi fondato una start-up. Come detto precedentemente, tutti i corpi emettono ed assorbono radiazione, gran parte della quale arriva da sole. Di tutta la radiazione emessa o riflessa dagli oggetti sulla terra e dal suolo, una buona parte è nuovamente riflessa dagli strati alti dell’atmosfera e torna indietro. Una particolare fascia di lunghezze d’onda, ovvero quelle tra gli 8 e i 13 micrometri, riesce però a oltrepassare tutti gli strati di gas e a disperdersi nello spazio. Già negli anni ’60 del secolo scorso si provò a sfruttare questa possibilità, ma il raffreddamento era registrabile solo la notte, perché di giorno il sole invia troppa radiazione perché possiamo in qualche modo contrastarla. Quello che il team di Stanford è riuscito a fare è stato creare una tecnologia che riflettesse una gran parte dei raggi incidenti (tutto ciò che è riflesso non è, evidentemente, assorbito e ciò significa meno calore entrante), ma che riuscisse ad assorbire e riemettere esattamente nell’insieme di lunghezze d’onda che contano: quelle tra 8 e 13 micrometri. In questa maniera il corpo di quel materiale non assorbe molto calore dal sole ed anzi ne cede, perché tutte le onde che emette finiscono nello spazio, un pozzo di calore pressoché perfetto. Lo spazio, infatti, come noto ha una temperatura bassissima e per quanto noi abitanti della terra possiamo impegnarci a inviare radiazione termica, difficilmente riusciremmo ad aumentarne la temperatura anche di un solo grado. I test sperimentali hanno dimostrato che questi materiali riescono a rimanere anche 10 gradi centigradi sotto la temperatura dell’aria circostante, nelle giuste condizioni, rendendoli una potenziale soluzione geniale ai problemi di raffreddamento di molti edifici.
Niente materiali costosi: con l’ingegneria anche legno e plastica possono rinfrescarci
Le tecnologie in questo campo oggi sono moltissime e la cosa sorprendente è che spesso non prevedono di utilizzare materiali innovativi, difficilmente reperibili e quindi molto costosi. L’idea del laboratorio della Stanford University è stata quella di lavorare i materiale su scale nanometriche, per creare in sostanza una griglia di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze d’onda, per riflettere, assorbire ed emettere esattamente nei range desiderati. Complice il limite di tempo di un anno per portare a termine il progetto, l’obiettivo è stato quello di semplificare il design sovrapponendo materiali più comodi e familiari: sono stati alternati strati di materiali che rifrangono molto (come il diossido di afnio) e molto poco la luce (come diossido di silicio o vetro), dando al pannello un altissimo potere riflettente (più della vernice bianca che riflette il 94% della luce). Dal loro successo hanno preso spunto una moltitudine di altri progetti, che hanno dimostrato come si poteva lavorare anche con materiali poco costosi. La prima è merito di Xiaobo Yin e Ronggui Yang della University of Colorado Boulder. In pratica il pannello è come uno specchio costituito da uno strato di 50 μm di polimetilpentene (una plastica usata per strumenti da laboratorio o cucina) in cui sono immerse sfere di vetro grosse pochi micrometri, che emettono proprio tra 8 e 13 micrometri, e il fondo è rivestito di una pellicola d’argento molto riflettente. Nel 2018 dei ricercatori della Columbia University e dell’Argonne National Laboratory hanno creato una vernice raffrescante (in inglese il gioco di parole è super-cool, dove si scherza tra cool come “fresco” e “fico”), basata su un rivestimento polimerico che emette le radiazioni volute quando i legami sono deformati elasticamente e lasciati rilassare. Uno studente di Yang, Jyotirmoy Mandal ha creato, invece, una miscela spray che quando è spruzzata su una superficie la rende fresca perché l’acetone e l’acqua in cui è disciolta evaporano e sono sostituite da micro bolle d’aria che riflettono la luce solare. All’anno scorso risale la scoperta che nel legno esistono sostanze già in grado di emettere gli infrarossi voluti: Liangbing Hu e Tian Li della University of Maryland sono riusciti a sfruttarla eliminando la legnina dal legno e allineando le fibre di cellulosa creando un tipo di legno riflettente e quindi rinfrescante.
Da grandi poteri (riflettenti) derivano grandi responsabilità, soprattutto d’inverno
Questi nuovi materiali sono stati chiamati in inglese super-cool, con un (involontario?) gioco di parole dove cool significa sia “fresco” che “fico”. Non è, però, tutto oro quel che luccica (o emette infrarossi come in questo caso) e c’è un fragile equilibrio tra i vantaggi di queste tecnologie e i problemi che ne derivano. Fan e Raman hanno dimostrato che i loro pannelli permettevano di risparmiare fino al 21% sulla bolletta elettrica nell’estate della calda Las Vegas, ripagando i costi d’installazione in appena 3/5 anni. A gennaio, gli inventori delle sfere di vetro nello strato di plastica hanno annunciato che il loro prodotto abbatterebbe dal 32 al 45 % il consumo di elettricità per il condizionamento se associati a un sistema ad acqua, con studi a Phoenix, Arizona, a Miami, Florida, e a Houston, Texas. Tuttavia, i dati si basano su campioni piccoli e situazioni favorevoli. Il primo problema, infatti, è la location. Questi rivestimenti funzionano solo se l’aria è abbastanza secca e in regioni come l’Europa centrale potrebbero non avere l’efficacia desiderata. Un altro problema, sarebbe che in inverno ostacolerebbero il riscaldamento naturale aumentando i costi di quello artificiale a dismisura. Si è pensato di rivestirli di una sottile patina d’acqua: congelando in inverno bloccherebbe l’effetto rinfrescante e sarebbe sufficiente sciogliere l’acqua in estate per farli tornare in attività, ma vanno condotti ulteriori studi per garantire l’utilità. Un altro problema è che i pannelli funzionano bene se mandano le radiaizoni direttamente verso lo spazio, quindi in città con grandi edifici non troverebbero largo uso. Insomma, i problemi sono molti, ma sicuramente anche le speranze e chissà che in futuro diremo davvero addio a condizionatori, ventilatori e ventagli.
