La tradizionale tecnologia per la refrigerazione basata sulla compressione dei gas, sembra ormai aver raggiunto i suoi limiti tecnici in termini di efficienza, mentre sta crescendo l’attenzione per le implicazioni ambientali ed energetiche legate a questo tipo di tecnologia. I liquidi refrigeranti usati fino ad oggi hanno infatti causato problemi all’integrità della fascia di ozono o hanno contribuito ad aumentare l’effetto serra, con un incremento dei rischi per la salute umana e del pianeta. Se in molti però vedono come unica soluzione a questo problema l’individuazione di refrigeranti alternativi, altri sono convinti che esistano altre strade molto più promettenti, che permettano di ottenere il freddo in maniera alternativa.
È proprio in questo contesto che si inserisce l’idea della refrigerazione magnetica, una possibilità che permetterebbe di superare definitivamente i problemi legati ai gas fluorurati. Ma di cosa stiamo parlando?
Per capirlo è necessario prima di tutto sapere che le sostanze magnetiche possiedono una proprietà intrinseca, chiamata effetto magnetocalorico (MCE). L’MCE è un processo magneto-termodinamico nel quale il cambiamento del campo magnetico produce una variazione reversibile di temperatura di un opportuno materiale. Senza entrare nel dettaglio del fenomeno fisico, questo significa che un oggetto di materiale ferroso si riscalda quando viene inserito all’interno di un campo magnetico, mentre si raffredda quando ne viene estratto.
Una caratteristica che può sicuramente essere sfruttata per creare macchine da utilizzare nella refrigerazione, che lavorino in maniera simile a quelle rotative per il recupero di calore, da decenni impiegate nel condizionamento dell’aria. Il ciclo utilizzato è il seguente: inizialmente viene inserito all’interno di un campo magnetico un materiale magneto-calorico, cosa che porta ad un simultaneo riscaldamento del materiale stesso. Questo, grazie all’impiego di un fluido (in genere acqua), viene poi raffreddato e solo dopo viene rimosso dal campo magnetico, facendo si che, smagnetizzandosi, la sua temperatura diminuisca ulteriormente. A questo punto la lega magneto-calorica viene riscaldata, concludendo il ciclo, da un’altro flusso d’acqua. Se si impiega per la climatizzazione il liquido caldo ottenuto all’inizio del processo si utilizza la macchina in funzione pompa di calore, mentre se si impiega quello freddo, allora si ha un condizionatore o un refrigeratore.
Perché il meccanismo funzioni sono però necessari alcuni piccoli accorgimenti. Se infatti l’acquisto o la cessione di calore in un refrigerante gassoso è un processo piuttosto rapido, poiché le turbolenze che si vengono a creare permettono una trasmissione rapida ed efficiente del calore, la stessa cosa non si può dire per i materiali solidi, dove il meccanismo di trasporto del calore avviene grazie ad una lenta propagazione molecolare. Per questo, attualmente, si pensa che la migliore soluzione per superare il problema sia l’impiego di conformazioni porose, che permettendo una maggiore superficie di contatto tra il solido ed il fluido da raffreddare rendono più celere il processo. Queste macchine presentano inoltre rendimenti migliori per bassi salti di temperatura e, proprio per questo motivo, è consigliato pensare ad applicazioni in cascata.
Risolti questi problemi, i vantaggi risultano indubbi: COP più elevati e maggiore ecocompatibilità vista l’assenza di gas fluorurati. Ma allora perché questi apparecchi non hanno ancora sostituito integralmente quelli tradizionali?
Il problema risiede nel fatto che questa tecnologia necessita di campi magnetici intensi e di superconduttori, sistemi complessi e troppo dispendiosi dal punto di vista energetico. Per ottenere una variazione della temperatura da 0,5 a 2°C a temperatura ambiente è infatti necessario un cambiamento del campo di 1 Tesla (all’incirca il valore di campo magnetico utilizzato per eseguire una TAC). La sperimentazione si sta quindi indirizzando verso l’utilizzo di calamite permanenti, che sono meno ingombranti e che non consumano energia, ma che producono campi elettromagnetici più deboli, riducendo drasticamente le prestazioni del processo. L’obbiettivo è quindi quello di riuscire ad individuare nuovi materiali e nuove leghe, che consentano un’applicazione più efficace del fenomeno.
Almeno per il momento dovremo quindi “accontentarci” delle macchine che abbiamo utilizzato fino ad oggi, nella speranza che presto questa nuova tecnologia possa raggiungere il giusto equilibrio tra costo e rendimento, che ne permetta la diffusione.
Ing. Alfero Daniele
Professional Team
Collaboratore tecnico