Raffreddamento radiativo: raffrescare senza elettricità

18/12/2024 - Il raffreddamento radiativo è un processo passivo mediante il quale un corpo cede calore per radiazione termica.
 
Negli ultimi anni, nel settore dell'edilizia sostenibile, l'interesse verso questa tecnologia è cresciuto notevolmente grazie alla capacità della stessa di sfruttare specifici materiali per emettere calore sotto forma di radiazione infrarossa verso lo spazio, consentendo così il raffreddamento di una superficie senza bisogno di consumo di energia.
 
Ciò rappresenta una soluzione promettente per ridurre il consumo energetico degli edifici legato alla climatizzazione e mitigare l'effetto isola di calore urbana.

 
Come avviene lo scambio termico radiativo

Alla base di questo fenomeno c’è il principio fisico di trasmissione del calore. Tutti i corpi che si trovino a una temperatura superiore allo zero assoluto (0 K) irradiano continuamente energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, causata dal moto di agitazione delle molecole che si trovano al loro interno.
 
Le proprietà termofisiche di un corpo, come la radiazione termica, la potenza termica e l'emissività, influenzano direttamente la sua capacità di dissipare calore e sono alla base del funzionamento della tecnologia del raffreddamento radiativo passivo:
 

• Radiazione Termica: è il processo attraverso cui un corpo emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche a causa della sua temperatura. Nel caso del raffreddamento radiativo passivo, i materiali utilizzati emettono radiazione infrarossa nella "finestra di trasparenza atmosferica" (8-13 μm), una banda in cui l'atmosfera terrestre è trasparente e permette alla radiazione elettromagnetica di essere irradiata direttamente nello spazio senza essere intrappolata dall'atmosfera.

 

• Potenza Termica: la potenza termica indica la quantità di energia emessa o scambiata nell'unità di tempo. Nel raffreddamento radiativo passivo, la potenza termica irradiata dipende dalla temperatura del materiale e dalla sua emissività. Maggiore è la potenza emessa, più efficiente è il raffreddamento.

 

• Emissività: l'emissività è una proprietà del materiale che misura la sua capacità di emettere radiazione termica rispetto a un corpo nero ideale (che ha emissività pari a 1). I materiali usati per il raffreddamento radiativo passivo hanno un'elevata emissività nella gamma infrarossa e una bassa assorbanza nella gamma del visibile. Ciò permette loro di riflettere la luce solare (riducendo il riscaldamento) e di irradiare efficacemente calore nello spazio.

 

Meccanismo del raffreddamento radiativo passivo:

I materiali con capacità di raffreddamento radiativo di giorno riflettono gran parte della luce solare grazie alla loro bassa assorbanza, riducendo il guadagno termico.
 
Contemporaneamente, emettono radiazione termica nell'infrarosso attraverso la finestra atmosferica, dissipando il calore accumulato. Di notte, l'emissione radiativa continua senza interferenze solari, consentendo di mantenere temperature inferiori rispetto all'aria circostante.
 

L’evoluzione del raffreddamento radiativo

Il concetto di raffreddamento radiativo passivo ha origini nella ricerca scientifica dei primi decenni del XX secolo, ma negli ultimi 50 anni ha visto un'accelerazione significativa, anche grazie all'osservazione di meccanismi presenti in natura.
 
Molti studi si ispirano infatti a fenomeni di termoregolazione sviluppati da alcune specie viventi per adattarsi ad ambienti estremi.
 
Ad esempio, le formiche argentate del Sahara (Cataglyphis bombycina) riescono a sopravvivere al calore estremo del deserto grazie a peli riflettenti che coprono il loro corpo. Questi massimizzano l’emissione di calore nell’intervallo infrarosso, evitando il surriscaldamento.
 
Allo stesso modo, le ali delle farfalle Bistonina biston combinano una bassa capacità termica con una riflettività elevata nella gamma della radiazione solare e un’emissività quasi perfetta nel medio infrarosso, funzionando come dissipatori passivi ideali.
 
Questi esempi naturali hanno ispirato lo sviluppo di materiali e tecnologie avanzate per il raffreddamento radiativo, basati su principi simili di riflessione e emissione termica selettiva.
 

Quali benefici potrebbe offrire questa tecnologia all’edilizia?

I sistemi di raffreddamento tradizionali, come i condizionatori, consumano circa il 15% dell’elettricità prodotta a livello mondiale, contribuendo al 10% delle emissioni globali di gas serra.
 
Con la crescente urbanizzazione e i cambiamenti climatici, si prevede che la domanda di energia per il raffreddamento quasi decuplicherà entro il 2050.
 
In questo contesto, il raffreddamento radiativo passivo offre un’opportunità unica per lo sviluppo sostenibile. Questa tecnologia, ispirata a meccanismi presenti in natura, come quelli delle formiche argentate del Sahara e delle farfalle Bistonina biston, permette di progettare superfici artificiali capaci di imitare tali comportamenti.
 
Attraverso il design di pannelli speciali, pitture o adesivi è possibile raggiungere temperature inferiori a quelle dell’ambiente circostante, dissipando il calore in modalità passiva, senza consumo di energia.
 
Oltre a ridurre la domanda energetica e mitigare le cause del riscaldamento globale, questa tecnologia potrebbe anche contribuire a ridurne gli effetti, come la siccità. Un esempio pratico è l’utilizzo del raffreddamento notturno per abbassare la temperatura delle superfici al di sotto del punto di rugiada, favorendo la condensazione dell’acqua e offrendo così una potenziale fonte di approvvigionamento idrico off-grid.
 
L’applicazione diffusa di materiali con queste proprietà potrebbe trasformare le città in ambienti più freschi e vivibili, contrastando gli effetti del cambiamento climatico:
 

Condizionatori senza energia? Il raffreddamento radiativo riscrive le regole

Questo approccio, completamente passivo, consentirebbe di raffreddare gli edifici senza alcun consumo energetico, eliminando la necessità di sistemi di climatizzazione tradizionali.
 
In uno scenario dominato dal raffreddamento radiativo passivo, l’intero concetto di condizionamento potrebbe essere rivoluzionato. Al posto di macchine energivore che consumano elettricità per smaltire il calore, potremmo immaginare superfici radiative integrate direttamente nelle facciate degli edifici.
 
Queste superfici, progettate con materiali altamente emissivi e riflettenti, sarebbero in grado di dissipare il calore accumulato verso lo spazio extraterrestre, sfruttando lo spazio stesso come un serbatoio termico naturale e inesauribile a bassa temperatura.
 

Raffreddare le città: il raffreddamento radiativo passivo contro le isole di calore

Un altro vantaggio del raffreddamento radiativo passivo è la sua capacità di mitigare il fenomeno delle isole di calore urbano, caratterizzate da temperature più elevate nelle aree densamente edificate rispetto a quelle circostanti.
 
Grazie al suo principio fisico, una superficie emittente progettata con materiali specifici può raggiungere temperature notevolmente inferiori rispetto all’aria circostante.
Per esempio, in una calda giornata estiva con temperature atmosferiche di 35°C, i rivestimenti dotati di capacità di raffreddamento radiativo diurno possono ridurre la temperatura superficiale fino a 20-30°C.
 

Raffreddamento radiativo: i progressi della ricerca

Raffrescare senza produrre calore in eccesso è l'obiettivo di una ricerca che ENEA sta portando avanti su un materiale di nuova generazione, in grado di isolare ed espellere il calore, senza tuttavia avere effetti sull’ambiente circostante.

Si tratta un innovativo metamateriale fotonico, cioè un materiale artificiale con proprietà elettromagnetiche non disponibili in natura e progettato manipolando la sua struttura fisica, capace di mantenere temperature fino a 12°C inferiori rispetto a quelle circostanti, senza alcun consumo energetico e senza disperdere calore nell'ambiente.
 
Il metamateriale, ottenuto tramite sputtering (spruzzamento) e adattabile a superfici adesive, potrebbe rivestire grandi strutture architettoniche, offrendo un'alternativa sostenibile ai sistemi di climatizzazione tradizionali.
 
Grazie alle sue proprietà ottiche spettralmente selettive, è capace di smaltire il calore verso lo spazio anche durante il giorno, sotto irraggiamento solare diretto, raggiungendo teoricamente una riduzione di temperatura fino a 80°C.
 
Questa tecnologia, combinando scienza dei materiali e fotonica, potrebbe trasformare il settore edilizio, contribuendo non solo alla riduzione dei consumi energetici, ma anche alla mitigazione degli effetti del riscaldamento globale.
 
I risultati ottenuti dalla ricerca di ENEA rappresentano il primo approccio europeo al raffreddamento passivo diurno attraverso soluzioni fotoniche.