Da macro a micro: tre scale dell’Ingegneria del freddo
Il ghiaccio, nel mondo tecnologico, non è sempre stato al centro dell’attenzione: la maggior parte degli approcci ingegneristici comprendono spesso azioni come rompere il ghiaccio, scioglierlo oppure crearlo. Nonostante ciò, questa risorsa trovata in prevalenza nei ghiacciai è una risorsa climatica molto preziosa che purtroppo si sta consumando velocemente. Ecco perché col tempo è nata una branca dell’ingegneria dedicata alla tematica del freddo, pensata a come tecniche, metodologie e tecnologie ingegneristiche possano essere usate e applicate per salvaguardare i ghiacciai, preservare il freddo, gestire gli accumuli di ghiaccio e molto altro. In questo breve articolo verranno illustrate tre scale in cui l’ingegneria del freddo ha messo piede.
Partendo dalla macro-scala, è noto ormai da molto tempo che i ghiacciai si stanno sciogliendo a causa del riscaldamento globale. Con l’incremento della temperatura globale, secondo una ricerca condotta da Mika Rantanen et al., i ghiacciai artici si stanno scaldando a una velocità quadrupla rispetto ai decenni precedenti. Per contrastare o rallentare questo fenomeno, collegato al riscaldamento globale, sono state proposte molteplici idee, molte delle quali però sono attualmente allo stato di ricerca teorica o simulazione, senza applicazioni pratiche su larga scala. Per esempio, come illustrato nell'infografica di SRM360, tecniche per riflettere la luce del sole utilizzando materiali riflettenti posti fra Terra e Sole, rilascio di particelle riflettenti nell’alta atmosfera per schermare la luce, l’uso di particelle nel sale marino per poi rendere le nuvole oceaniche più bianche e riflettenti, l’assottigliamento delle nuvole per permettere al calore terrestre di defluire verso lo spazio e altro ancora.
Panoramica dei metodi di riflessione della luce solare (SRM) - "What Is SRM?" (2024)
Altre idee, proposte da John C. Moore et al., coinvolgono l’utilizzo di tecnologie attive in vicinanza ai ghiacciai, come per esempio:
- Il blocco di correnti calde: che prevede la costruzione di barriere sottomarine di fronte ai ghiacciai per impedire alle correnti calde oceaniche di erodere la base del ghiacciaio.
- Sostegni per isole di ghiaccio: isole artificiali e sostegni per ancorare/supportare piattaforme di ghiaccio galleggianti che trattengono i ghiacciai retrostanti prevenendone la frattura e collasso.
- Rimozione flussi d’acqua fra ghiacciai: che prevede la rimozione dell’acqua tra pezzi di ghiaccio, che agirebbe come lubrificante per lo scivolamento verso il mare del ghiacciaio. Drenando quest’acqua, si aumenterebbe l’attrito riducendo il fenomeno descritto.
Nonostante questi progetti siano molto interessanti dal punto di vista sperimentale, hanno avuto poca visibilità e la loro realizzazione concreta è ancora lontana. Occorre inoltre considerare l'impatto ambientale negativo di tali sistemi, dovuto alla natura invasiva di queste grandi infrastrutture.
Al contrario, la tecnologia dei Thermosyphon vanta una maturità applicativa ben superiore. Già in uso dal 1960, i thermosyphon sono stati una soluzione pensata per risolvere il problema della degradazione del permafrost, cioè terreno perennemente ghiacciato, composto da materiali misti fra terra e ghiaccio. Se questo terreno si sciogliesse e diventasse instabile, potrebbe portare a cedimenti strutturali di opere come edifici, strade e molto altro. La tecnologia dei termosifoni ha come scopo la stabilizzazione del permafrost in modo passivo, senza usare elettricità o parti meccaniche. Tecnicamente, il termosifone è un grande tubo sigillato contenente del fluido (CO2 di solito) pressurizzato che si trova in uno stato di saturazione, cioè uno stato in cui il liquido può bollire e il vapore può condensare contemporaneamente. La parte inferiore del tubo è interrata, la zona intermedia (zona adiabatica) fa da transizione tra la parte inferiore e la parte superiore del tubo che è esposta all’aria esterna dove avviene lo scambio termico. Il sistema si attiva quando la temperatura dell’aria esterna è inferiore a quella del terreno. Il ciclo del sistema comprende due fasi principali:
- Evaporazione: il calore del terreno riscalda il liquido che inizia ad evaporare vista la vicinanza al cambio di stato. In questo modo il vapore sale attraverso il tubo.
- Condensazione: il vapore arrivato nella parte esposta all’aria fredda cede il suo calore alle pareti del tubo e quindi all’atmosfera. Raffreddandosi, condensa e ritorna allo stato liquido per poi scorrere lungo le pareti e ritornare alla base per ricominciare il ciclo.
Schema del funzionamento di un termosyphons
Inizialmente generata con gemini e poi successivamente modificata
Mentre la tecnologia dei termosifoni cerca di controllare il permafrost gestendo il freddo, la natura tenta di fare lo stesso da molto tempo tramite meccanismi geologici usando detriti rocciosi. Questo fenomeno coinvolge l’ingegneria dei materiali naturali. Glistrati dei detriti rocciosi depositati sopra i ghiacciai, se spessi, avrebbero la proprietà di uno scudo termico impendendone il disgelo. Purtroppo, questi sistemi sono molto complessi e sono governati da molteplici fattori. Inoltre, da studi condotti, questi strati e substrati di detriti contribuirebbero a rendere il sistema sottostante di drenaggio dell’acqua inefficiente, trasformando un canale di scarico in un complesso sistema di accumulo e rilascio ritardato dell’acqua.
L’ingegneria ecologica dei materiali applicata al ghiaccio non si ferma alle grandi infrastrutture; essa scene fino anche alla scala molecolare come, per esempio, nella protezione di macchinari tecnologici. Il problema in questo caso riguarda l’accumulo di ghiaccio su infrastrutture come pale eoliche, cavi elettrici e aerei. L’uso di soluzioni classiche con superfici super-idrofobiche non funziona perché il ghiaccio si “aggancia” alla micro-rugosità della superficie. Partendo da questo problema, un gruppo di ricerca di Harvard ha condotto degli studi su una tecnologia basata su una pianta carnivora che, quando si bagna, diventa così scivolosa da far cadere gli insetti al suo interno. Nello specifico introducono una nuova classe di materiali chiamati SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) basati su fluidi lubrificanti che impediscono al ghiaccio di formare un legame meccanico con la struttura solida. Inoltre, sono in grado di auto-riparare piccoli tagli/squarci sulla superfice, auto-riempiendo l’insenatura di lubrificante.
Schema semplificativo del fluido lubrificante. Immagine generata da gemini inizialmente e poi modificata
Il passaggio da un’ingegneria del ghiaccio interamente “estrattiva” o “oppositiva” a una Ingegneria Ecologica del freddo rappresenta un cambiamento necessario per affrontare la crisi climatica. Operando su diverse scale, da quelle più grandi come l’idea delle barriere sottomarine per contrastare le correnti calde, si è poi proseguito a scale intermedie con i thermosyphon già sviluppati da molti decenni per preservare il permafrost. Inoltre, data la complessità dei sistemi ecologici presenti, non tutti gli studi convergono ad una soluzione immediata, come visto per il sistema di detriti che ricoprono i ghiacciai. Questi sono sistemi complessi che, se approssimati, non sono sufficienti per capire come l’intero sistema operi. Infine, scendendo nella scala molecolare abbiamo visto come il ghiaccio è studiato usando materiali biologici per contrastarlo. In definitiva, l’ Ingegneria del freddo è un mondo che richiederà costante ricerca e sviluppo sia per la salvaguardia e preservazione di questa risorsa effimera ma vitale per il pianeta, sia come modo per innovare e sperimentare nuove tecnologie all’avanguardia.