Gli scienziati se ne sono accorti da alcuni anni: la natura, oliata da miliardi di anni di evoluzione, riesce a fare molte cose più efficientemente ed elegantemente di noi, che superiamo spesso gli ostacoli rozzamente, sprecando enormi risorse e quantità di energia, per fare ciò che gli esseri viventi fanno quasi a costo zero.

Per esempio come fa il loto a mantenere asciutte e pulite le sue foglie in acque fangose senza avere il teflon a disposizione, e certe farfalle a esibire splendidi colori iridescenti, senza dover usare complessi pigmenti sintetici?

Semplice, creano su scala nanometrica superfici di foglie o ali che respingono l’acqua o colorano la luce riflessa, a costo energetico zero.

L’ingegnere dei materiali Xiaobo Yin, e i suoi colleghi della Colorado University di Boulder, hanno dimostrato con un articolo su Science, che si può imitare la natura, progettando a livello nanometrico una superficie in modo che svolga un compito al limite dell’impossibile: raffreddare un oggetto esposto in pieno sole, senza usare energia.

L’alternativa convenzionale per questo compito, l’uso di sistemi di condizionamento, richiede complessi macchinari e un sacco di elettricità: il 6% di quella statunitense, per esempio, se ne va proprio per rinfrescare gli edifici.

L’idea di base del gruppo di Xiabao è invece quella di sfruttare il raffreddamento naturale a cui ogni oggetto con una temperatura sopra allo zero assoluto (-273,16 °C) va incontro: il calore, cioè il moto delle sue particelle, si trasforma in radiazione elettromagnetica, che si disperde nello spazio. Se l’energia che si perde in questo modo è maggiore di quella che si guadagna assorbendo le radiazioni provenienti dall’esterno, allora ci si raffredda.

In particolare gli oggetti alle temperature terrestri, emettono infrarossi di lunghezza d’onda fra 5 e 15 micrometri (millesimi di millimetro), che viene in parte assorbita da umidità e gas atmosferici e rimandata indietro, ma per il resto, quella fra 8 e 13 micrometri, riesce a sfuggire nello spazio.

Il raffreddamento per emissione funziona benissimo quando non c’è il sole, soprattutto se l’aria è secca, come sa chiunque abbia passato la notte in un deserto, scoprendo che all’alba le temperature crollano intorno allo zero, anche se di giorno sfioravano i 40°.

Ma appena il sole sale in cielo, ogni metro quadro terrestre viene inondato di energia sotto forma di luce (in media, 1000 watt/mq), che, una volta assorbita dagli oggetti, si trasforma in nuovo calore, superando facilmente quanto l’emissione infrarossa riesce a smaltire. E tutto torna a scaldarsi.

In passato, sono stati creati sistemi, anche semplici vernici, in grado di facilitare il raffreddamento radiativo notturno, ma nessuno di questi era mai riuscito a far sì che il raffreddamento continuasse anche in pieno giorno.

I ricercatori di Boulder, grazie ad un finanziamento di 3 milioni di dollari del Dipartimento dell’Energia, si sono invece prefissati di trovare un sistema che consenta che il raffreddamento radiativo continuasse anche sotto il sole, ma che fosse anche economico e facilmente industrializzabile.

E, incredibilmente, ci sono riusciti in tre anni di lavoro, presentando poche settimane fa un film plastico, leggermente più spesso della pellicola di allumino da cucina, contenente miliardi di sfere di vetro di 8 micrometri di diametro, e argentato su un lato, che può essere prodotto con le normali tecnologie di realizzazione dei rotoli di pellicole plastiche.

La luce che colpisce questo film passa senza essere assorbita dalla plastica e dalle microsfere, per venire poi riflessa indietro quasi completamente dal rivestimento argentato. Attraverso questo, comunque, si trasmette per contatto il calore dell’oggetto sottostante, arrivando fino alle microsfere di vetro. Queste, grazie alla loro dimensione accuratamente scelta, scaldandosi emettono radiazioni infrarosse di 8 micrometri, le più adatte per attraversare l’atmosfera senza essere riflesse.

Risultato: l’emissione infrarossa da un oggetto posto sotto la pellicola, supera anche in pieno giorno il calore aggiunto dal sole, portando a un suo raffreddamento.

«Provata sul campo per tre giorni la nostra pellicola nano strutturata ha dimostrato di permettere un raffreddamento medio di 110 watt al metro quadro, che anche sotto il sole di mezzogiorno resta comunque a 90 watt/mq», dice Gang Tan, dell’Università dell’Arizona, altro autore dell’invenzione.

«Si tratta del raffreddamento che sarebbe possibile ottenere usando energia fotovoltaica ottenuta da una pari superficie, in un impianto di condizionamento, con la differenza, però, che la pellicola funziona senza macchinari e giorno e notte. In teoria 10-20 metri quadri di pellicola sul tetto di una casa, sarebbero sufficienti per mantenere il suo interno intorno ai 20 °C, anche se fuori ce ne sono quasi 40».

In teoria per raffreddare propriamente un’abitazione, visto che i tetti sono normalmente isolati e distanti dalle stanze, non basterebbe stendere la pellicola, ma servirebbe un sistema che prenda il calore dall’interno della casa, e lo porti sotto di essa, per essere irraggiato via.

Ma per far questo basterebbe un sistema di scambiatori di calore e tubi che facciano circolare l’acqua che ha assorbito il calore degli ambienti verso il tetto.

Il controllo del flusso dell’acqua, permetterebbe anche di regolare la temperatura interna, bloccando il raffrescamento quando non serve più, per esempio d’inverno.

Certo, il ricircolo dell’acqua richiederebbe energia per le pompe, ma sarebbe una frazione rispetto a quella necessaria per ottenere lo stesso risultato con un sistema  di condizionamento. 

E il raffrescamento domestico è solo una delle possibili applicazioni di questa invenzione. Per esempio la pellicola potrebbe essere usata per abbassare ulteriormente la temperatura dell’acqua di raffreddamento delle centrali termoelettriche, aumentando quindi l’efficienza del processo e diminuendo i consumi.

«Ma funzionerebbe anche per i pannelli solari: applicando su di loro la pellicola trasparente con le nanosfere di vetro, se ne faciliterebbe il raffreddamento, guadagnando 1-2 punti di efficienza, il che, su larga scala, fa una grande differenza nella produzione», dice Xiabao.

«Ma il punto cruciale è che questo sistema di raffreddamento funziona 24 ore al giorno, senza energia e senza usare acqua, quindi può essere applicato ovunque e in quasi tutte le condizioni. Siamo molto eccitati nel pensare a quante possibili applicazioni possa avere la nostra invenzione, in campo energetico, aerospaziale, agricolo e tanti altri ancora».

E per illustrarle al meglio, l’Università del Colorado sta già progettando una “cooling farm” di 200 metri quadri dove dimostrare a tutti i possibili clienti, le potenzialità della nuova tecnologia.