IL NUOVO MATERIALE DA COSTRUZIONE A CAMBIAMENTO DI FASE SBLOCCA LA REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA AMBIENTE
I ricercatori della Texas A&M University hanno sviluppato un nuovo materiale a cambiamento di fase (PCM) che potrebbe essere utilizzato per costruire edifici in grado di regolare la temperatura interna passiva.
Una volta miscelata con i normali materiali da costruzione, l’esclusiva resina riempita di cera del team può essere stampata DIW 3D in strutture che cambiano forma per assorbire l’energia termica. Al momento, il composito può essere aggiunto alle vernici e utilizzato per la deviazione del calore decorativo della casa, ma con un’ulteriore iterazione, i suoi creatori affermano che ha anche il potenziale per costruire case che sono meglio in grado di resistere a condizioni meteorologiche estreme.
“Siamo entusiasti del potenziale del nostro materiale per mantenere gli edifici confortevoli riducendo il consumo di energia”, ha affermato il dott. Peiran Wei, ricercatore presso il Soft Matter Facility di Texas A&M. “Possiamo combinare più PCM con diverse temperature di fusione e distribuirli con precisione in varie aree di un singolo oggetto stampato per funzionare in tutte e quattro le stagioni e in tutto il mondo”.
Mentre il cambiamento climatico inizia a devastare i modelli meteorologici del mondo, le case di milioni di persone sono diventate più suscettibili alle fluttuazioni di temperatura che mai. Per combattere questo, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria o “HVAC” sono spesso usati per regolare il calore all’interno degli ambienti residenziali, ma tali dispositivi tendono ad essere affamati di energia e inefficienti dal punto di vista energetico.
A peggiorare le cose, gli HVAC si affidano anche a materiali ad effetto serra noti come refrigeranti per generare aria fresca e secca, contribuendo così efficacemente al riscaldamento globale per cui sono costruiti. Di conseguenza, si stanno ora effettuando ricerche significative per trovare metodi più efficienti di regolazione termica e i PCM hanno mostrato un potenziale particolare come mezzo passivo per raggiungere questo obiettivo.
In effetti, i PCM sono in grado di immagazzinare calore convertendosi da solido in liquido dopo averlo assorbito, mentre fanno il contrario per rilasciarlo, il che significa che possono regolare la temperatura senza bisogno di alimentazione esterna. Tuttavia, la produzione di tali compositi attualmente richiede l’aggiunta di un “guscio” attorno a ogni singola particella di PCM, limitando la quantità che può essere aggiunta ai materiali da costruzione esistenti.
Secondo Ciera Cipriani, ricercatrice laureata in tecnologia spaziale della NASA presso il Texas A&M, il processo è come usare una pentola per far bollire un uovo, ma innovando il modo in cui vengono prodotti i PCM, potrebbe essere possibile produrli su larga scala e in un modo che consente loro di operare all’interno di una finestra di temperatura più ampia.
“Immagina di riempire una pentola con uova e acqua”, spiega Cipriani. “Se ogni uovo deve essere messo in un singolo contenitore per essere sodo, meno uova entreranno nella pentola. Rimuovendo i contenitori di plastica, il vero guscio nella nostra ricerca, più uova, o PCM, possono occupare un volume maggiore imballando più vicini tra loro all’interno dell’acqua/resina.
Un materiale da costruzione a base di cera
Prendendo ispirazione da studi precedenti simili, il team di Texas A&M ha miscelato una resina liquida sensibile alla luce con una polvere di cera di paraffina a cambiamento di fase, per creare un nuovo inchiostro stampabile in 3D. In tal modo, i ricercatori sono stati in grado di saltare diverse fasi di produzione PCM esistenti, incluso l’incapsulamento, poiché la resina funge contemporaneamente sia da “guscio” esterno che da materiale da costruzione.
Bloccando le particelle PCM all’interno di singole “tasche”, questo approccio consente anche loro di subire un cambiamento di fase e gestire l’energia termica, senza perdite e creando un rischio per la sicurezza. Tuttavia, la miscela del team inizialmente si è rivelata morbida, pastosa e malleabile, quindi per renderla stampabile in 3D l’hanno polimerizzata con luce ultravioletta per solidificarla e renderla pronta per l’uso finale.
Per testare l’efficacia del loro nuovo composito, gli ingegneri lo hanno successivamente utilizzato per stampare in 3D un modello di casa in miniatura e ne hanno alzato la temperatura inserendolo in un forno. Rispetto ai campioni prodotti utilizzando materiali da costruzione convenzionali, il modello basato su PCM si è dimostrato in grado di mantenere una temperatura fino al 40% più calda o più fredda di quella misurata all’esterno.
Andando avanti, i ricercatori intendono ora sperimentare con PCM diversi dalla paraffina, con l’obiettivo di sviluppare compositi avanzati in grado di funzionare a intervalli di temperatura più ampi e gestire più energia termica contemporaneamente.
“I PCM sono un’opzione interessante per il controllo passivo del riscaldamento e del raffreddamento degli edifici”, ha concluso il team nel loro articolo. “I PCM con diversi punti di fusione possono essere integrati contemporaneamente nella resina e stampati senza compromettere la struttura o l’integrità… il nostro approccio è compatibile con un’ampia gamma di matrici fotopolimeriche e PCM”.
I progressi dei materiali da costruzione
Il team di Texas A&M non è il primo a pensare di utilizzare la stampa 3D per costruire alloggi per la regolazione della temperatura, poiché Microlight3D ha anche ricevuto il sostegno dell’UE per sviluppare un calcestruzzo per la creazione di edifici “autoraffreddanti” . Lavorando con cinque università europee, l’azienda mira essenzialmente a progettare un materiale microstrutturato che combatta il fenomeno noto come “isole di calore urbane”.
In un progetto analogamente orientato alla sostenibilità, gli scienziati della Swinburne University of Technology e della Hebei University of Technology hanno trasformato i rifiuti di demolizione in un nuovo materiale di stampa ecologico . Composto da cemento riciclato, particelle di ceramsite e sabbia, il materiale del team mostra un effetto “scheletrico” autoportante.
A livello più commerciale, BigRep e Forward AM hanno lanciato un nuovo filamento Concrete Formwork nel maggio 2021, progettato per consentire la creazione di supporti prefabbricati in calcestruzzo più complessi. Quando vengono implementate insieme alla stampante 3D STUDIO G2 di BigRep , le aziende affermano che il loro materiale può essere utilizzato per costruire architetture a costi e tempi di consegna notevolmente ridotti.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Regolazione dell’energia termica con compositi di materiali a cambiamento di fase polimerici stampati in 3D “, che è stato co-autore di Peiran Wei, Ciera E. Cipriani ed Emily B. Pentzer.
