Un quadrato di tessuto bianco esposto al sole è riuscito a restare tra 3 e 6 °C sotto la temperatura dell’aria. Nello stesso materiale, il movimento genera anche una piccola quantità di elettricità, sufficiente per rilevare un gesto e comandare l’accensione di un sistema di riscaldamento. Tutto dentro una struttura flessibile che può essere stampata.
Il materiale è stato sviluppato da un gruppo della University of Illinois Urbana-Champaign e descritto in uno studio pubblicato su Advanced Science. La base è un nanocomposito di polidimetilsilossano, o PDMS, e ossido di zirconio (ZrO₂), lavorato attraverso una tecnica di stampa chiamata direct ink writing, una sorta di stampa 3D in cui l’inchiostro viene depositato formando una rete di fibre.
Il risultato ha due caratteristiche che di solito finiscono in materiali diversi: riflette gran parte dell’energia solare e sfrutta il contatto e il movimento per generare cariche elettriche.
Riflette il 96% della radiazione solare
Nei test il tessuto ha raggiunto una riflettanza solare del 96% e un’emissività nell’infrarosso medio del 97%. In pratica assorbe poca energia dal Sole e, contemporaneamente, riesce a disperdere verso l’esterno parte del calore sotto forma di radiazione infrarossa.
Per verificare quanto questo si traducesse in raffreddamento, i ricercatori hanno effettuato prove all’aperto a Urbana, in Illinois, sotto la luce diretta del Sole. I numeri più immediati richiedono però una precisazione: quei 3-6 °C sotto la temperatura ambiente non sono stati misurati sulla pelle di una persona che indossava una maglietta.
L’esperimento quantitativo utilizzava un simulatore di pelle. Con la fonte di calore spenta, nelle condizioni normalmente adottate per misurare il raffreddamento radiativo passivo, il materiale si è mantenuto tra 3 e 6 °C sotto l’aria circostante. Con il simulatore riscaldato per riprodurre il calore metabolico umano, il tessuto ha invece registrato temperature inferiori di 6-10 °C rispetto al cotone bianco, di 6-14 °C rispetto alla superficie lasciata scoperta e di 10-15 °C rispetto a un tessuto rivestito d’argento.
La University of Illinois Urbana-Champaign ha mostrato anche una versione più grande applicata sul dorso di una maglia: nell’immagine termica la zona coperta dal nuovo materiale appare nettamente più fredda del tessuto circostante. È una dimostrazione visiva promettente, ancora lontana da un test clinico su persone impegnate per ore sotto il sole.
Muovendosi produce anche elettricità
L’ossido di zirconio serve anche a un secondo lavoro. Quando il materiale entra in contatto con la pelle e poi se ne separa, produce una carica attraverso l’effetto triboelettrico, lo stesso fenomeno fisico dietro alla piccola scossa che può arrivare dopo aver camminato su una moquette.
Con la composizione ottimizzata, i ricercatori hanno ottenuto una densità di potenza massima di 47 milliwatt per metro quadrato. Il segnale è rimasto stabile dopo 30.000 cicli di funzionamento. Sono numeri interessanti per sensori indossabili, decisamente meno per trasformare la felpa in una presa elettrica. Per il telefono, insomma, serve ancora il caricatore.
Il gruppo ha utilizzato il materiale sul gomito per seguire i movimenti dell’articolazione e sulle dita per distinguere diverse configurazioni della mano. I segnali elettrici prodotti dal movimento possono quindi funzionare direttamente come sensori, senza richiedere un sensore separato alimentato in continuazione.
Il movimento può comandare il riscaldamento, ma l’energia arriva da fuori
La parte più curiosa dell’esperimento arriva quando raffreddamento e movimento vengono messi insieme. I ricercatori hanno stampato il nanocomposito sopra un tessuto conduttivo rivestito d’argento, capace di riscaldarsi per effetto Joule.
Quando il sistema rileva un movimento abbastanza forte, il segnale triboelettrico attiva un circuito che accende il riscaldamento. Nei test, aumentando frequenza e durata dei tocchi aumentava anche la risposta termica: a una frequenza di un tocco al secondo è stato misurato un aumento di circa 10 °C in 3,8 minuti.
Qui il dettaglio è importante: l’elettricità prodotta dal movimento non fornisce da sola l’energia necessaria a scaldare il tessuto. Funziona come comando. Nell’apparato sperimentale, un microcontrollore e un relè ricevevano il segnale, mentre l’energia per il riscaldamento arrivava da un alimentatore esterno.
L’idea è quindi quella di un materiale che rimanga passivamente fresco sotto il Sole e possa usare il movimento di chi lo indossa per decidere quando attivare un sistema termico alimentato separatamente.
Per ora ha superato dieci lavaggi, non una stagione nell’armadio
La struttura stampata ha mostrato una permeabilità al vapore vicina a quella del cotone commerciale e le proprietà ottiche sono rimaste sostanzialmente stabili dopo dieci cicli di lavaggio a 30 °C con detergente. Un buon inizio, difficilmente assimilabile ai mesi o agli anni di lavatrice, sudore, sfregamenti e asciugature che aspettano un capo vero.
Gli stessi autori indicano tra i passaggi successivi una migliore gestione del sudore e verifiche più lunghe sull’invecchiamento del materiale. C’è anche un interesse commerciale da dichiarare: la coordinatrice della ricerca Lili Cai è cofondatrice di SolarMantle e inventrice di brevetti legati alle tecnologie di raffreddamento radiativo, circostanza riportata nello studio.
Il materiale mette comunque insieme in una sola struttura raffreddamento passivo, raccolta di energia e rilevamento del movimento, evitando alcune delle architetture a più strati utilizzate finora. Una maglietta pronta da infilare nello zaino ancora non c’è. Prima deve sopravvivere a qualcosa di assai meno elegante di un laboratorio: persone, sudore e molte più di dieci lavatrici.