Nanomateriale raffreddamento passivo: tecnologia ricerca spagnola

Un innovativo nanomateriale sviluppato in Spagna promette il raffreddamento passivo senza elettricità, grazie a strutture 3D in PVDF e al principio del raffreddamento radiativo. Potenzialità, sfide e impatti ambientali.

Tra gli sviluppi più interessanti della ricerca sui materiali per l’edilizia rientra un rivestimento pensato per controllare il calore senza consumare elettricità. Il gruppo di ricerca dell’IMN-CNM del CSIC di Madrid ha progettato un nanomateriale a base di PVDF, cioè fluoruro di polivinilidene, capace di abbassare fino a 12,9°C la temperatura delle superfici colpite dal sole. Il risultato viene ottenuto senza alimentazione elettrica.

La proposta è destinata soprattutto a tetti e facciate. Applicata all’involucro degli edifici, serve a contenere il surriscaldamento passivo e la temperatura degli ambienti interni, riducendo così la necessità di ricorrere alla climatizzazione. Il progetto mette in relazione la scienza dei materiali con due esigenze ormai inseparabili: sostenibilità e resilienza al clima. La tecnologia è ancora in una fase avanzata di sperimentazione, ma offre già una prospettiva concreta per ottenere una termoregolazione efficiente, sicura e con un impatto ambientale contenuto.

Perché raffreddare gli edifici senza usare elettricità

Le temperature globali aumentano e le ondate di calore si presentano con maggiore frequenza. Nei centri urbani, dove cemento e asfalto trattengono il calore, la domanda di raffrescamento cresce di conseguenza. I sistemi di climatizzazione tradizionali arrivano a rappresentare il 20% dei consumi elettrici mondiali, con effetti diretti sulle emissioni di gas serra, sulle bollette di famiglie e imprese e sulla capacità delle reti elettriche di sostenere i picchi estivi.

Il problema, quindi, non riguarda soltanto l’ambiente. Un ricorso sempre più ampio all’aria condizionata mette in discussione anche la sostenibilità economica del raffreddamento e complica il raggiungimento degli obiettivi europei di decarbonizzazione. Ridurre la temperatura degli ambienti senza affidarsi ad apparecchiature energivore è diventato uno degli obiettivi della transizione ecologica.

Per questa ragione la ricerca si concentra su materiali avanzati, sistemi naturali e tecnologie passive capaci di limitare il passaggio del calore attraverso l’involucro edilizio. La soluzione studiata in Spagna si inserisce esattamente in questa linea: sfruttando le sue proprietà ottiche e la struttura interna, il rivestimento separa il comfort termico degli ambienti dal consumo di energia elettrica. Meno calore sulle superfici significa, almeno in prospettiva, un minore uso dell’aria condizionata negli edifici e negli impianti industriali.

Il raffreddamento radiativo diurno passivo e il suo principio fisico

Il meccanismo alla base del materiale è il raffreddamento radiativo diurno passivo, indicato con la sigla PDRC, Passive Daytime Radiative Cooling. La superficie trattata riflette la radiazione solare e, nello stesso tempo, disperde il calore sotto forma di radiazione infrarossa. Non servono motori, compressori o altre parti mobili.

Il processo sfrutta una particolare finestra di trasparenza dell’atmosfera terrestre nell’infrarosso, compresa fra 8 e 13 micrometri. In quella banda la radiazione termica può attraversare l’atmosfera e raggiungere direttamente lo spazio, senza essere assorbita dai gas serra. Il calore viene così trasferito lontano dalla superficie esposta.

Un rivestimento adatto al PDRC deve riflettere in modo efficace la luce solare incidente. Deve quindi assorbire poca energia e mantenere un’elevata emissione termica proprio nella banda infrarossa compresa fra 8 e 13 micrometri. Il materiale prodotto dal gruppo di Madrid è stato progettato per ottenere entrambe le prestazioni, superando i risultati normalmente associati alle vernici riflettenti tradizionali, che producono riduzioni di temperatura più contenute.

Il tratto distintivo del raffreddamento radiativo diurno passivo è la possibilità di portare una superficie a una temperatura inferiore a quella dell’aria circostante, attraverso lo scambio di fotoni con lo spazio profondo. L’effetto può continuare anche nelle ore di forte irraggiamento solare, proprio perché la superficie respinge una parte della radiazione in ingresso mentre emette calore nell’infrarosso. L’assenza di componenti meccanici elimina i consumi operativi e riduce le esigenze di gestione.

Il nodo della ricerca è dunque ottico. Per migliorare il comportamento del materiale, gli scienziati hanno lavorato sull’ingegnerizzazione delle nanostrutture polimeriche.

Il rivestimento del CSIC: una struttura tridimensionale in PVDF

Il team del CSIC ha realizzato un rivestimento polimerico con un’architettura tridimensionale su scala nanometrica. La struttura nasce dall’infiltrazione controllata di PVDF all’interno di matrici nanoporose di ossido di alluminio. Il polimero e la matrice formano una configurazione 3D capace di modificare con precisione il modo in cui la luce e la radiazione infrarossa interagiscono con la superficie.

Durante la fabbricazione è stata regolata la micro-geometria interna del rivestimento. L’obiettivo era aumentare contemporaneamente la riflettanza solare e l’emissività nell’infrarosso, senza limitarsi a una sola delle due proprietà. Questa possibilità di intervenire sulla struttura permette di adattare la risposta del materiale alle esigenze concrete di raffreddamento.

Una geometria controllata a scala nanometrica offre margini di regolazione che non si trovano nei materiali convenzionali. Le prestazioni possono essere quindi calibrate per impieghi differenti, dall’edilizia ai trasporti, fino all’elettronica. Il testo di ricerca indica proprio questi tre ambiti come possibili destinazioni della tecnologia.

Il materiale è stato sottoposto anche a trattamenti con radiazione UV, che ne hanno incrementato la riflettanza superficiale. La stabilizzazione del polimero contribuisce invece alla resistenza agli agenti esterni e alla durata nel tempo. Nel complesso, il lavoro propone una superficie funzionale pensata per l’isolamento termico passivo e per l’impiego su applicazioni che richiedono una risposta ottica controllata.

PVDF e nanostrutture: proprietà che favoriscono il raffreddamento

Il fluoruro di polivinilidene, o PVDF, possiede caratteristiche adatte alla gestione termica. Nel rivestimento sviluppato dal gruppo spagnolo, queste proprietà vengono combinate con la geometria nanostrutturata. I principali vantaggi indicati sono:

• Elevata emissione termica nell’infrarosso, utile a trasferire il calore attraverso la finestra atmosferica;
• Stabilità chimica e meccanica, con resistenza ai raggi UV, all’umidità, agli agenti chimici e agli inquinanti presenti negli ambienti urbani;
• Proprietà idrofobiche e autopulenti, che possono contenere la necessità di interventi di manutenzione;
• Compatibilità con i processi industriali di coating e con la produzione su larga scala;
• Possibilità di riciclo e di trattamenti autoriparanti, in linea con gli orientamenti e le normative ambientali dell’Unione europea.

La geometria interna completa il comportamento della resina. Le superfici ottenute riflettono oltre l’82% della radiazione solare e raggiungono un’emissività prossima al 97% nella regione infrarossa di interesse. La resa del raffreddamento passivo dipende quindi da due fattori collegati: il materiale di base e la progettazione accurata delle nano-geometrie. La struttura deve migliorare la risposta termica senza compromettere resistenza, durata o sicurezza ambientale.

I risultati dei test a Madrid

La sperimentazione ha unito prove di laboratorio e test all’aperto. Le verifiche in condizioni realistiche sono state eseguite a Tres Cantos, località situata nei pressi di Madrid, durante condizioni di irraggiamento paragonabili a quelle delle estati dell’entroterra iberico.

La temperatura delle superfici rivestite è scesa di quasi 13°C rispetto ai campioni di riferimento non trattati. Il valore massimo registrato è stato di 12,9°C. La differenza supera quella ottenuta con le tradizionali vernici bianche e si è mantenuta ripetibile e omogenea anche su superfici di ampia estensione.

Il rivestimento ha conservato la propria stabilità dopo esposizioni prolungate a radiazione UV, umidità e agenti atmosferici. In laboratorio, la produzione della struttura 3D-PVDF ha permesso di misurare con precisione una riflettanza solare media dell’82,4% nell’intervallo fra 0,32 e 2,5 micrometri. Nella finestra atmosferica fra 8 e 13 micrometri, l’emissività infrarossa ha raggiunto il 96,7%.

Le misurazioni mostrano il vantaggio dell’architettura nanostrutturata rispetto ai materiali concorrenti. Le prestazioni termiche sono rimaste efficaci anche in presenza di condizioni atmosferiche variabili e dopo un’esposizione prolungata delle superfici.

Dove può essere utilizzato il rivestimento

Il PVDF nanostrutturato è stato pensato per settori nei quali l’accumulo di calore incide sui consumi, sul comfort o sull’affidabilità dei dispositivi.

• Edilizia e riqualificazione urbana: tetti, facciate, terrazze e involucri edilizi già esistenti possono ricevere il rivestimento per limitare l’apporto solare, ridurre il fabbisogno di climatizzazione e migliorare il comfort termico degli ambienti interni.
• Trasporti: l’applicazione su cofani, tetti e altre superfici esterne di veicoli privati, commerciali e pubblici può ridurre il surriscaldamento degli abitacoli. L’aria condizionata verrebbe così utilizzata meno, con possibili effetti sui consumi e sulla sicurezza.
• Elettronica di consumo e impianti industriali: la risposta termica del materiale lo rende adatto a dispositivi esposti al surriscaldamento, fra cui server, accumulatori, moduli fotovoltaici e infrastrutture per data center.
• Sistemi portatili e dispositivi wearable: la bassa massa del rivestimento può essere utile quando occorre dissipare il calore senza aggiungere peso o garantire comfort termico a chi indossa il dispositivo.

La trasparenza o il biancore dei rivestimenti ne facilita l’inserimento sulle superfici senza modifiche estetiche marcate e con un impatto visivo ridotto. Il prodotto può essere adattato anche a elementi curvi o modulari. Questo aspetto è rilevante per gli interventi di retrofit su edifici costruiti, dove la geometria delle superfici non può essere riprogettata facilmente.

Effetti energetici e ambientali della climatizzazione ridotta

Un materiale che raffredda in modo passivo può intervenire direttamente sulla quantità di energia richiesta dagli edifici. La diminuzione della domanda di climatizzazione attiva si traduce in consumi domestici e commerciali più bassi, con una riduzione dei costi e delle emissioni legate alla produzione dell’elettricità. Il beneficio dipende dall’effettiva applicazione su edifici e superfici reali, ma la direzione è chiara.

Il rivestimento non richiede refrigeranti chimici, tipici degli impianti meccanici, e non contiene parti in movimento. Ne derivano vantaggi sul piano gestionale, oltre a un minore impatto ambientale. La climatizzazione estiva può arrivare a coprire il 20% della domanda elettrica mondiale, secondo gli studi ambientali europei citati nel testo. Ogni riduzione di quel fabbisogno alleggerisce la pressione sulle reti, soprattutto nei periodi di picco, e sostiene gli obiettivi europei relativi all’efficienza energetica e alle emissioni.

• Riduzione dei costi energetici per abitazioni e attività;
• Minori emissioni di gas serra e di sostanze inquinanti;
• Maggiore autonomia termica degli edifici durante gli eventi climatici estremi;
• Assenza di refrigeranti con effetto sul clima;
• Possibile integrazione con tetti verdi, impianti fotovoltaici e altri materiali riflettenti.

L’impiego diffuso di rivestimenti di questo tipo è compatibile con le strategie europee di mitigazione urbana e con i riferimenti normativi EPBD, NZEB, Taxonomy UE e con i regolamenti sull’efficienza energetica. La tecnologia può diventare uno strumento per ridurre le emissioni dei centri urbani, migliorando al tempo stesso la qualità dell’aria, la salute pubblica e le condizioni di vita durante le ondate di calore.

Limiti da affrontare prima dell’uso su larga scala

I risultati ottenuti non eliminano le difficoltà tecniche. Esistono vincoli che oggi frenano l’estensione della tecnologia a grandi superfici e a edifici interi:

• Dipendenza dall’irraggiamento diretto: nuvole, smog e coperture protettive riducono sensibilmente l’efficacia del raffreddamento passivo;
• Influenza dell’orientamento e della superficie: le pareti verticali ricevono un beneficio inferiore rispetto alle superfici orizzontali completamente esposte al cielo;
• Mancanza di dati su edifici in scala reale: finora le prove si sono concentrate su prototipi e campioni sperimentali. Non è ancora stata certificata una riduzione effettiva dei consumi di climatizzazione in abitazioni reali;
• Compatibilità ancora parziale con altre tecnologie: l’integrazione con il fotovoltaico richiede una progettazione coordinata, per evitare interferenze o la concorrenza per la stessa superficie.

Prima dell’inserimento nei protocolli edilizi servono ulteriore ingegnerizzazione e una fase di validazione, definita nel testo di partenza come validazione clinica. Saranno determinanti anche le norme e la capacità dell’industria di sostenere il passaggio dai campioni alle applicazioni reali. La prestazione misurata in laboratorio, da sola, non basta a stabilire costi, durata e risparmio energetico di un intero edificio.

Produzione industriale, costi e mercato

La fabbricazione industriale delle nanostrutture in PVDF è stata concepita per funzionare con metodi già presenti nella filiera delle materie plastiche ingegneristiche. Questa compatibilità dovrebbe facilitare l’introduzione del rivestimento nei processi esistenti. Il progetto prevede:

• Costi di produzione e installazione contenuti, compensati dal risparmio energetico ottenibile durante l’uso;
• Ripetibilità su grandi volumi, grazie alla possibilità di automatizzare i processi;
• Adattamento a piccoli lotti e a superfici estese, secondo le richieste del mercato;
• Accesso a una catena di fornitura già strutturata, con materiali di base regolamentati dal punto di vista normativo.

Il ritorno dell’investimento viene descritto come competitivo rispetto agli impianti di raffreddamento attivo. Le proiezioni relative al mercato europeo dei polimeri tecnici e ingegneristici indicano un CAGR del 4,1% nel prossimo quinquennio. Il dato segnala interesse per materiali capaci di combinare efficienza, sicurezza e sostenibilità.

Il PVDF si colloca dentro questa tendenza. Le economie di scala potrebbero favorire l’inserimento del rivestimento nelle offerte commerciali e nei bandi per la riqualificazione, facendo leva su una filiera che dispone già di competenze e infrastrutture per i materiali di base.

Prossimi passaggi della ricerca spagnola

La fase successiva della ricerca dovrà concentrarsi sulla verifica delle prestazioni in condizioni d’uso reali. I test dovranno includere superfici verticali, diversi orientamenti, climi variabili e periodi prolungati di esposizione a radiazione UV, umidità e inquinanti.

• Validare il raffreddamento su edifici dimostrativi e misurare la riduzione effettiva dei consumi di climatizzazione;
• Ottimizzare la produzione su larga scala e quantificare costi di applicazione, manutenzione e durata;
• Studiare l’integrazione con impianti fotovoltaici e altri elementi dell’involucro edilizio;
• Definire requisiti prestazionali e procedure di certificazione con gli enti normativi.

Solo il confronto tra prestazioni termiche, costi e ciclo di vita stabilirà se il rivestimento in PVDF potrà passare dai prototipi alle applicazioni commerciali. Fino a quel momento, il risultato resta promettente ma non dimostra ancora un risparmio energetico misurato su edifici reali.