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An ice cube in a drink keeps the drink cold: as it melts, it soaks up heat without getting any warmer. Texas A&M University researchers want buildings to do the same, with a family of gels that could be built into roofs, walls and windows. They call them salogels: polymer gels loaded with hydrated salts, meaning salts that carry water trapped inside their crystals.
Un cubetto di ghiaccio nella bibita la mantiene fredda: mentre si scioglie, assorbe calore senza riscaldarsi. I ricercatori della Texas A&M University vogliono che gli edifici facciano lo stesso, grazie a una famiglia di gel che potrebbero essere integrati in tetti, pareti e finestre. Li chiamano salogel: gel polimerici caricati con sali idratati, cioè sali che trattengono acqua intrappolata nei loro cristalli.
These materials belong to the family of phase-change materials, which switch between solid and liquid and absorb or release heat in the process. Paraffin, a wax long used as the benchmark for heat storage, is one member. The team favors the salts, which can store more than twice as much heat per volume as paraffin, resist burning and be reasonably cheap. Calcium chloride hexahydrate, for example, is a leftover from making soda ash.
Questi materiali appartengono alla famiglia dei materiali a cambiamento di fase, che passano dallo stato solido a quello liquido e, in questo processo, assorbono o rilasciano calore. La paraffina, una cera a lungo usata come riferimento per l'accumulo di calore, ne è un esempio. Il team preferisce i sali, che possono accumulare più del doppio del calore per unità di volume rispetto alla paraffina, resistono alla combustione e possono costare relativamente poco. L'esaidrato di cloruro di calcio, per esempio, è un sottoprodotto della produzione di carbonato di sodio.
The catch has kept salts out of construction. When they melt, they turn to liquid, leak away and sometimes separate into layers. Engineers have tried to contain them in porous supports or sealed capsules, but those fixes usually limit the salt to under 70% of the material, and capsules complicate manufacturing. Salogels take a different route: a little polymer holds the salt in place. Versions with reversible bonds, which can break and re-form, keep 80% to 95% of the pure salt's heat-storage capacity.
Il problema è ciò che ha tenuto i sali fuori dall'edilizia. Quando si sciolgono, diventano liquidi, fuoriescono e a volte si separano in strati. Gli ingegneri hanno cercato di contenerli in supporti porosi o capsule sigillate, ma queste soluzioni di solito limitano il sale a meno del 70% del materiale, e le capsule complicano la produzione. I salogel seguono un'altra strada: un po' di polimero tiene il sale al suo posto. Le versioni con legami reversibili, che possono rompersi e riformarsi, conservano dall'80% al 95% della capacità di accumulo termico del sale puro.
The tests remain small. In a model house, a sodium acetate trihydrate gel filled three pipes under the floor, and the heat release could be triggered in one, two or all three. In a 3D-printed house, a salogel coating on the walls kept the interior notably cooler during melting and much warmer during crystallization than an identical house without it. In windows, the gel melts by day and turns transparent, then crystallizes at night, gives off heat and turns opaque.
I test restano limitati. In una casa modello, un gel a base di triidrato di acetato di sodio riempiva tre tubi sotto il pavimento, e il rilascio di calore poteva essere attivato in uno, due o tutti e tre. In una casa stampata in 3D, un rivestimento di salogel sulle pareti ha mantenuto l'interno sensibilmente più fresco durante la fusione e molto più caldo durante la cristallizzazione rispetto a una casa identica senza di esso. Nelle finestre, il gel si scioglie di giorno e diventa trasparente, poi cristallizza di notte, cede calore e diventa opaco.
Firmer gels store less energy, while the best heat stores are softer. Some salts also stay liquid even after the temperature drops low enough to solidify them, so the release has to be reliable on cue, and how the polymer network achieves this is not well understood. Humidity protection, large-scale manufacturing, durability over many heating and cooling cycles, and how much energy a real building would save are all still open.
I gel più rigidi immagazzinano meno energia, mentre gli accumuli di calore migliori sono quelli più morbidi. Alcuni sali restano anche liquidi quando la temperatura scende abbastanza da solidificarli, quindi il rilascio deve essere affidabile su comando, e non è ben chiaro come la rete polimerica riesca a ottenerlo. La protezione dall'umidità, la produzione su larga scala, la durata nel tempo con molti cicli di riscaldamento e raffreddamento, e quanta energia un edificio reale risparmierebbe sono ancora aperti.
Owners and builders would gain if these gels hold up, through walls and roofs that smooth out day-night swings, and through air-conditioning units and water heaters where the gel could be loaded as a second route. The sources give no date and no saving figure. The next steps are simulation and AI to predict which polymer dissolves in which salt, salt blends with adjustable melting points, and 3D printing or gel fibers, with the aim of a tough, recyclable material that lasts for years inside buildings.
Proprietari e costruttori ne trarrebbero vantaggio se questi gel reggessero, grazie a pareti e tetti che attenuano le oscillazioni tra giorno e notte, e grazie a condizionatori e scaldabagni in cui il gel potrebbe essere caricato come secondo percorso. Le fonti non indicano né una data né una cifra di risparmio. I prossimi passi sono la simulazione e l'intelligenza artificiale per prevedere quale polimero si dissolve in quale sale, miscele di sali con punti di fusione regolabili, e la stampa 3D o le fibre di gel, con l'obiettivo di un materiale resistente e riciclabile che duri per anni all'interno degli edifici.