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Un sistema di raffreddamento senza elettricità che usa il calore stesso come carburante suona come una piccola contraddizione, e invece è la strada imboccata da un gruppo di ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology e dell’Università di Tsukuba. L’idea di fondo è ribaltare una regola che diamo per scontata da sempre, ovvero che per abbassare la temperatura di qualcosa serva consumare energia. Condizionatori, frigoriferi, dissipatori a liquido dei processori: tutti hanno bisogno di corrente per far girare compressori, pompe, ventole o altri componenti meccanici. Il prototipo presentato dai due gruppi di lavoro prova a fare a meno di tutto questo. Il punto di partenza è banale quasi al limite dell’ovvio. Ogni circuito elettronico produce calore, ed è proprio quel calore il problema da smaltire. Se però il calore in eccesso diventasse la fonte di energia per generare freddo, il bilancio cambierebbe in modo netto. Non più un consumo aggiuntivo per raffreddare, ma uno scarto riutilizzato. Un sistema del genere sarebbe molto più efficiente di qualsiasi soluzione tradizionale, e su questo principio si basa l’intero esperimento.
Due lamine di nichel titanio e nessun motore
Il cuore del dispositivo è costituito da due lamine sottilissime di nichel titanio, una lega a memoria di forma. Materiali di questo tipo hanno una caratteristica curiosa, cioè riescono a modificare la propria struttura interna quando la temperatura cambia oppure quando vengono sottoposti a una forza meccanica. Non si limitano a deformarsi, ma riorganizzano l’assetto dei loro atomi, per poi tornare alla configurazione originale. Nel prototipo le due lamine hanno ruoli diversi. La prima si comporta come un piccolo motore termico: quando viene riscaldata si contrae e converte direttamente il calore in movimento meccanico, senza passare per alcuna forma di elettricità. Quel movimento serve a tendere la seconda lamina, che è invece superelastica. Ed è qui che entra in gioco la parte interessante.
L’effetto elastocalorico spiegato in parole semplici
Quando la tensione sulla seconda lamina viene rilasciata, la struttura interna del materiale cambia di nuovo e la lega si raffredda. È il cosiddetto effetto elastocalorico, un fenomeno noto e studiato da tempo ma che finora aveva sempre richiesto un attuatore esterno per essere sfruttato. Tirare e rilasciare una lamina in modo ciclico significa, di norma, avere un motore elettrico che fa il lavoro sporco.
Il prototipo di Karlsruhe e Tsukuba aggira il problema perché il motore, in pratica, è la prima lamina. Il calore fa il suo lavoro, la lega si contrae, la tensione si trasferisce, il rilascio genera freddo. Un ciclo che si autoalimenta e che non ha bisogno di essere spinto da fuori. Nessun compressore, nessuna pompa, nessun cavo di alimentazione. Il potenziale applicativo di un raffreddamento elastocalorico di questo tipo riguarda tutti quegli ambiti in cui il calore residuo è abbondante e finisce semplicemente disperso. L’elettronica di potenza, i data center, i sistemi in cui la temperatura è il primo nemico dell’affidabilità. Se il calore prodotto può diventare la spinta che genera raffrescamento, la logica progettuale cambia radicalmente rispetto ai sistemi attuali.
Va detto che si parla di un prototipo di laboratorio, non di un prodotto pronto per gli scaffali. Le leghe a memoria di forma sono già impiegate in diversi settori, dall’aerospaziale al biomedico, ma il salto verso un impiego su larga scala nel raffreddamento richiede tempo e ulteriore lavoro di ricerca. Quello che il gruppo di ricerca tedesco e giapponese ha dimostrato è che il ciclo funziona e che si può chiudere senza attingere alla rete elettrica, usando come unico motore quel calore che di solito rappresenta soltanto un fastidio da eliminare.
