Il caldo estremo può influenzare il funzionamento delle macchine e il fatto che molte di esse irradino calore non aiuta.
Gli esseri umani non sono gli unici a doversi mantenere freschi, visto che l’estate si sta concludendo con temperature da record. Molte macchine, dai telefoni cellulari alle automobili e agli aerei, senza dimenticare i server e i computer dei centri dati, perdono efficienza e si deteriorano più rapidamente con il caldo estremo. Inoltre, le macchine generano il loro stesso calore, che aumenta ulteriormente la temperatura ambientale intorno a loro.
Come ricercatori di ingegneria, stiamo studiando come i dispositivi meccanici, elettrici ed elettronici siano influenzati dal calore e se sia possibile recuperare e riutilizzare questo calore in modo efficiente.
Anche senza un picco di calore, nessuna macchina è perfettamente efficiente. Tutte le macchine subiscono attriti interni durante il funzionamento, che dissipano il calore. Più caldo è l’esterno, più alta è la temperatura del dispositivo.
Ad esempio, i telefoni cellulari e altri dispositivi dotati di batterie agli ioni di litio non funzionano bene al di sopra dei 35℃: questo per evitare il surriscaldamento e lo stress termico dei componenti elettronici.
Sistemi di raffreddamento innovativi, ad esempio basati su fluidi a scambio di fase, aiutano a mantenere i dispositivi a temperature ragionevoli, ma nella maggior parte dei casi il calore rimane dissipato nell’aria. Il problema rimane: più l’aria circostante è calda, più è difficile mantenere l’apparecchiatura sufficientemente fredda per funzionare in modo efficiente.
Inoltre, più le macchine sono vicine tra loro, maggiore è il calore dissipato nell’area circostante.
Deformazione dei materiali causata dalle alte temperature
Le alte temperature dovute alle condizioni atmosferiche o al calore dissipato dalle macchine stesse possono portare alla deformazione dei materiali utilizzati. Questo effetto è facilmente comprensibile a livello molecolare.
A livello molecolare, la temperatura si riflette nella vibrazione delle molecole. Più fa caldo, più le molecole che compongono l’aria, il terreno e i materiali utilizzati nelle macchine vibrano e si agitano.
Quando la temperatura aumenta e le molecole vibrano di più, lo spazio medio tra di esse aumenta: è così che la maggior parte dei materiali si espande quando si riscalda. Questo è il caso delle strade: il catrame si espande, si restringe e alla fine si crepa. Questo fenomeno può verificarsi anche nei materiali che compongono i nostri computer e veicoli.
Il calore causa ritardi e rischi per la sicurezza
Le alte temperature possono anche modificare le proprietà degli oli motore, causando guasti. Ad esempio, se la temperatura aumenta di 17 ℃ durante un’ondata di calore, la viscosità di un olio motore standard – il suo spessore – può triplicare.
Tuttavia, i fluidi come l’olio motore diventano più fluidi quando si riscaldano: se è troppo caldo, l’olio potrebbe non essere abbastanza denso per lubrificare le parti del motore e proteggerle efficacemente dall’usura.
Al contrario, l’aria contenuta nei pneumatici si espande con il caldo e la pressione aumenta, aumentando l’usura e il rischio di slittamento.
Inoltre, gli aerei non sono progettati per volare a temperature estreme. Infatti, quando fa caldo, l’aria si espande e occupa più spazio: diventa meno densa. Questa minore densità dell’aria riduce il peso che l’aereo può trasportare in volo, con conseguenti ritardi o cancellazioni.
Batterie degradate dal calore
In generale, l’elettronica dei telefoni cellulari, dei personal computer e di altri centri dati è composta da numerosi materiali che reagiscono in modo diverso alle variazioni di temperatura. Essendo vicini tra loro e in spazi ristretti, se si deformano in modo diverso l’uno dall’altro, ciò può portare a un’usura prematura e a guasti.
Le batterie agli ioni di litio delle automobili e dei dispositivi elettronici si degradano più rapidamente alle alte temperature, perché queste aumentano la velocità delle reazioni chimiche all’interno delle batterie. In particolare, le reazioni di corrosione che consumano il litio riducono la capacità di accumulo della batteria. Recenti ricerche dimostrano che i veicoli elettrici tenuti a 32 ℃ possono perdere circa il 20% della loro autonomia.
I data center, edifici pieni di server che immagazzinano dati, devono dissipare grandi quantità di calore per mantenere freschi i loro componenti. Quando fa molto caldo, le ventole lavorano di più per evitare il surriscaldamento dei chip. In alcuni casi, le potenti ventole non sono più sufficienti a raffreddare i componenti elettronici.
Per mantenere freschi i data center, l’aria secca che arriva dall’esterno viene spesso fatta passare attraverso un materiale umido. L’acqua evapora nell’aria e assorbe il calore, raffreddando l’aria. Questa tecnica, nota come raffreddamento evaporativo o adiabatico, è generalmente un modo economico ed efficace per mantenere i dispositivi elettronici a una temperatura ragionevole.
Tuttavia, il raffreddamento evaporativo può richiedere una quantità significativa di acqua. Questo è un problema nelle regioni in cui l’acqua scarseggia, e l’acqua per il raffreddamento si aggiunge al già intenso utilizzo di risorse nei data center.
I condizionatori d’aria fanno fatica
I condizionatori d’aria faticano a funzionare in modo efficiente quando fuori fa molto caldo… proprio quando ne avete più bisogno.
Infatti, quando fa caldo, i compressori dell’aria condizionata devono lavorare di più per inviare all’esterno il calore degli edifici, aumentando in modo sproporzionato i consumi e la domanda complessiva di elettricità. energia elettrica.
In Texas, ad esempio, ogni aumento di 1 ℃ della temperatura comporta un aumento del 4% della domanda di elettricità.
Nei Paesi più caldi, il caldo porta quindi a un aumento vertiginoso del 50% della domanda estiva di elettricità, aumentando la minaccia di blackout e carenze di energia, oltre a incrementare le emissioni di gas serra.
Come si possono evitare i danni da calore?
Le ondate di calore e l’aumento delle temperature in tutto il mondo pongono gravi problemi a breve e lungo termine sia per le persone che per le infrastrutture. Fortunatamente, ci sono cose che si possono fare per ridurre al minimo i danni.
In primo luogo, le macchine dovrebbero essere tenute in un luogo fresco e ben isolato o lontano dalla luce diretta del sole.
Inoltre, è possibile utilizzare gli apparecchi ad alto consumo energetico nelle ore non di punta o ricaricare il proprio veicolo elettrico, quando il consumo di elettricità è minore. Ciò contribuisce a limitare i problemi di approvvigionamento elettrico a livello locale.
Sfruttare il calore per uso personale
Scienziati e ingegneri stanno anche sviluppando modi per utilizzare e riciclare le grandi quantità di calore dissipate dalle macchine. Ad esempio, il calore di scarto dei centri dati potrebbe essere utilizzato per riscaldare l’acqua.
Il calore dissipato potrebbe anche essere utilizzato per alimentare sistemi di condizionamento dell’aria, come i refrigeratori ad assorbimento, che utilizzano l’energia del calore per alimentare i refrigeratori attraverso una serie di processi chimici e di trasferimento di calore.
In entrambi i casi, l’energia necessaria per il riscaldamento o il raffreddamento proviene da calore che di solito viene perso. Il calore di scarto delle centrali elettriche potrebbe in linea di principio coprire il 27% del fabbisogno di raffreddamento delle abitazioni, riducendo il consumo energetico complessivo e le emissioni di carbonio.
Il caldo estremo influisce su molti aspetti della vita moderna e le ondate di calore non scompariranno nei prossimi anni. Tuttavia, è possibile far lavorare il calore per noi.
