La climatizzazione rappresenta circa un quarto dell’energia elettrica che gli abitanti dell’Arizona consumano, quota che corrisponde a quattro volte la media nazionale, e non rappresenta un lusso. Senza climatizzazione, il caldo estivo a Phoenix può essere fatale: nel 2020, la Contea di Maricopa ha registrato l’infausto record di 323 decessi dovuti alla calura, uno dei numeri più alti negli ultimi anni – e i dati del 2021 sono andati ancora oltre -.
Un sistema di raffreddamento ecologico
Le temperature estreme non sono limitate al sudovest degli Stati Uniti: giugno 2021 è stato il mese più caldo mai registrato fino a quel momento in America del Nord. All’inizio di luglio di quell’anno un’ondata di caldo senza precedenti ha fatto oltre 200 vittime in Oregon e nello stato di Washington e, secondo una stima, 600 persone o più sono morte a causa del forte caldo nella Columbia Britannica.
L’uso della climatizzazione aumenterà di pari passo al continuo aumento delle temperature globali e entro 20 anni si valuta che l’elettricità necessaria per alimentare i condizionatori di tutto il mondo triplicherà.
I combustibili fossili che vengono bruciati a questo scopo aggiungono nell’atmosfera già circa 117 milioni di tonnellate di anidride carbonica ogni anno, solo negli Stati Uniti. Gli stessi dispositivi che ci tengono al fresco contribuiscono contemporaneamente a surriscaldare ulteriormente il pianeta.
Inoltre i condizionatori hanno un impatto più diretto sull’ambiente circostante – come spiega Aaswath Raman, professore di ingegneria presso l’Università della California: “Pensiamo a come funziona un condizionatore: pompa aria calda nell’ambiente, quindi ogni singolo impianto di condizionamento mentre rinfresca i nostri ambienti contribuisce ad aumentare la temperatura ambientale”.
L’obiettivo del lavoro di Raman è trovare un’alternativa ecologica alla climatizzazione tradizionale, sviluppando una serie di materiali tra cui vernici, pellicole e tipi di legno, tutti con la stessa peculiarità: usando le lunghezze d’onda della luce, sono in grado di raffreddare l’aria circostante senza bisogno di alcun tipo di alimentazione esterna, raggiungendo in alcuni casi differenze di 5 gradi centigradi e più.
Raman è generalmente riconosciuto come il fondatore di questo campo di ricerca e la sua idea è quella di sfruttare un fenomeno naturale, conosciuto come raffreddamento radiativo, per abbassare la temperatura degli oggetti.
Raffreddamento radiativo è un termine usato in fisica per definire un processo che avviene intorno a noi: tutto ciò che viene riscaldato da una qualche fonte di calore poi si raffredda all’interruzione della fonte di calore. L’esempio più lampante sta proprio sotto i nostri piedi: la Terra stessa, che si riscalda durante il giorno e si raffredda dopo il tramonto, disperdendo il calore nel cosmo.
Una pellicola può raffreddare e far fronte al caldo?
Così Raman coinvolse Shanhui Fan, il suo mentore a Stanford, e progettarono la realizzazione di una pellicola sottile ma multistrato che sfruttasse il modo in cui l’atmosfera della Terra consente al calore di disperdersi nello spazio.
Tutta l’energia solare assorbita dalla superficie terrestre viene costantemente riemessa come radiazione infrarossa, una forma di luce con una lunghezza d’onda maggiore rispetto alla luce visibile. Una parte di quella radiazione infrarossa viene assorbita da vapore acqueo, anidride carbonica e altri gas serra, riscaldando l’atmosfera.
Questo è il processo che ha mantenuto il clima terrestre relativamente stabile e vivibile finché l’uomo ha iniziato a bruciare combustibili fossili e sovraccaricare l’atmosfera di miliardi di tonnellate di anidride carbonica.
Non tutte le radiazioni infrarosse, tuttavia, vengono assorbite dall’atmosfera, alcune si disperdono nello spazio. L’atmosfera terrestre, si è scoperto, è trasparente a certe lunghezze d’onda di luce infrarossa, nello specifico a quelle comprese tra 8 e 13 micrometri.
Questo oggetto consiste in strati alternati di silice, vetro e biossido di afnio, un composto usato nel settore dell’ottica per rivestire lenti e specchi. Regolando lo spessore dei singoli strati, Raman e Fan hanno creato una pellicola estremamente riflettente per la luce visibile — e che quindi non si riscalda al sole — che è anche un eccellente emettitore di radiazione infrarossa proprio alle giuste lunghezze d’onda che attraversano l’atmosfera senza restarne intrappolate. Se si usasse la pellicola per ricoprire, diciamo, il tetto di un’automobile, questa condurrebbe il calore lontano dal tettuccio stesso raffreddandolo senza il bisogno di usare energia elettrica.
Raman e Fan ebbero la conferma che il loro esperimento funzionava dopo sei/sette mesi sul tetto di un edificio del campus di Stanford con un campione della loro pellicola esposto al sole (i tetti degli edifici possono diventare roventi in estate raggiungendo temperature anche di 60 °C).
Hanno provato a fare un semplice test: hanno ombreggiato la pellicola. Normalmente, quando qualcosa viene messo all’ombra, si raffredda. Ma la pellicola è diventata più calda, perché la radiazione infrarossa non riusciva più a dissiparsi attraverso l’atmosfera, trovando lo scudo del materiale ombreggiante e riscaldandolo, cosa che a sua volta riscaldava l’aria circostante.
“Sembra un controsenso ma è perfettamente logico”, afferma Raman. “All’ombra il materiale è più caldo perché non può oltrepassare l’atmosfera e raggiungere lo spazio”; rimessa al sole, la pellicola si è notevolmente raffreddata, scendendo di circa 5 °C al di sotto della temperatura dell’aria.
Dopo quel primo successo, Raman, Fan e il loro collega di Stanford Eli Goldstein hanno fondato un’azienda chiamata SkyCool e hanno collaborato con 3M per ottimizzare e commercializzare quella tecnologia. Nell’estate del 2020, la società ha installato pannelli rivestiti della speciale pellicola sul tetto di un supermercato in California.
L’acqua che scorre nei pannelli viene raffreddata dalla pellicola e poi pompata nei condizionatori e frigoriferi dell’edificio, raffreddando i relativi componenti e abbassando il consumo di energia usata per alimentarli. “L’uso della pellicola ha consentito un risparmio del 15-20% circa nel consumo di energia”, afferma Raman.
