Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
Questo studio dimostra che gli emettitori selettivi nanoparticolati (Nano-SE) superano significativamente le alternative a banda larga nel mitigare le isole di calore urbano, raggiungendo temperature superficiali inferiori sotto i fattori di vista del cielo ristretti tipici dei paesaggi urbani densi, offrendo così una soluzione scalabile per migliorare la resilienza termica urbana.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Le città sono spesso significativamente più calde delle campagne circostanti, un fenomeno noto come effetto isola di calore urbana. Questo calore extra proviene dal sole che riscalda edifici e strade, i quali poi irradiano quell'energia immagazzinata nell'aria, creando un ciclo di feedback che rende le città più difficili da raffreddare e più costose in cui vivere. Un modo promettente per combattere questo problema senza utilizzare elettricità è il raffreddamento radiativo. Questo processo funziona permettendo a una superficie di irradiare il proprio calore direttamente verso il vuoto freddo dello spazio. L'atmosfera agisce come una finestra per questo calore, lasciando passare la radiazione infrarossa attraverso una specifica banda di lunghezze d'onda, mentre la blocca in altre. Se un materiale può emettere calore con forza attraverso questa finestra atmosferica e riflettere la luce solare, può teoricamente raffreddarsi anche quando l'aria circostante è calda.
Per anni, gli scienziati hanno dibattuto sul modo migliore per costruire questi materiali di raffreddamento. Alcuni design sono "broadband" (a banda larga), ovvero emettono calore attraverso una vasta gamma di lunghezze d'onda infrarosse. Altri sono "selettivi", progettati per emettere calore solo attraverso quella specifica finestra atmosferica, pur riflettendo il calore a tutte le altre lunghezze d'onda. In aree rurali aperte, dove il cielo non è ostruito, la ricerca precedente ha suggerito che i design selettivi più complessi offrissero solo un minimo vantaggio rispetto a quelli broadband più semplici. Ciò ha portato molti a ritenere che lo sforzo extra per creare emettitori selettivi non valesse la pena. Tuttavia, questa conclusione presupponeva una vista libera del cielo, una condizione che raramente esiste nelle strade dense e simili a canyon di una moderna città.
Un team di ricercatori dell'University College London e di altre istituzioni ha ora dimostrato che, nel mondo reale dei tetti cittadini, gli emettitori selettivi sono molto superiori. Hanno scoperto che, quando una superficie di raffreddamento è circondata da edifici caldi, i materiali broadband semplici assorbono il calore indesiderato irradiato da quelle pareti, causando il loro riscaldamento. Gli emettitori selettivi, al contrario, riflettono quel calore disperso dagli edifici pur permettendo al proprio calore di sfuggire verso lo spazio. Per dimostrare ciò, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di materiale chiamato emettitore selettivo nanoparticolato. Inveve di utilizzare strati complessi e rigidi difficili da fabbricare, hanno creato minuscole particelle di ossinitruro di silicio. Queste particelle sono state ingegnerizzate con una struttura porosa, simile a una spugna, per garantire che potessero essere completamente convertite durante la produzione, conferendo loro la perfetta capacità di emettere calore solo attraverso la finestra atmosferica.
I ricercatori hanno testato questi materiali in due contesti molto diversi. Per prima cosa, hanno posizionato i materiali su un tetto a Londra con una vista libera del cielo. Come previsto, gli emettitori selettivi hanno performato quasi allo stesso modo dei broadband, raffreddando la superficie di alcuni gradi al di sotto della temperatura ambiente. Ciò ha confermato che, in spazi aperti, la maggiore complessità degli emettitori selettivi non fornisce un beneficio significativo. La storia è cambiata completamente quando hanno simulato un ambiente urbano denso. Hanno allestito un test in cui i campioni di raffreddamento erano circondati da pareti riscaldate, imitando le facciate calde di alti edifici che bloccano la vista del cielo. In questo scenario, i materiali broadband non sono riusciti a raffreddare efficacemente, diventando spesso più caldi dell'aria circostante perché assorbivano il calore dalle pareti. Gli emettitori selettivi, tuttavia, hanno continuato a raffreddare, rimanendo significativamente più freschi delle versioni broadband.
Il vantaggio del design selettivo cresceva all'aumentare del calore circostante. Quando i ricercatori hanno simulato pareti riscaldate a temperature compresi tra 40 e 80 gradi Celsius, gli emettitori selettivi sono rimasti fino a 5 gradi Celsius più freschi rispetto ai broadband. In simulazioni ancora più estreme, dove la fonte di calore raggiungeva i 500 gradi Celsius, il divario si è ulteriormente ampliato. Ciò accade perché il calore irradiato da oggetti molto caldi si sposta verso lunghezze d'onda più corte che cadono al di fuori della finestra atmosferica; il materiale selettivo rifiuta naturalmente questo calore, mentre il materiale broadband lo assorbe. Il team ha inoltre creato due versioni del loro materiale: una che riflette la luce solare per l'uso su tetti opachi, e un'altra che è trasparente alla luce solare per l'uso su finestre o serre. Entrambe le versioni hanno mantenuto la loro capacità di respingere il calore dalle circostanze calde e di irradiare il proprio calore lontano.
Utilizzando modelli informatici basati sull'effettiva disposizione di Londra, il team ha proiettato cosa accadrebbe se interi isolati cittadini fossero coperti con questi materiali. Nelle zone a bassa densità, entrambi i tipi di materiali funzionano bene. Ma nei distretti ad alta densità, dove la vista del cielo è pesantemente ostruita dai grattacieli, i materiali broadband faticano a mantenere freschi i tetti. Gli emettitori selettivi, invece, mantengono temperature più basse in tutto il distretto, contrastando efficacemente il calore intrappolato dagli edifici. Questo lavoro suggerisce che, sebbene i semplici materiali di raffreddamento possano bastare per gli spazi aperti, le sfide uniche delle città dense richiedono la precisione degli emettitori selettivi. Rifiutando il calore irradiato dagli edifici vicini e rilasciando solo il proprio calore nell'universo freddo, questi nuovi materiali a base di nanoparticelle offrono un modo scalabile e pratico per rendere le città del futuro più vivibili ed efficienti dal punto di vista energetico.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.