Le macchine non sempre sopportano il calore

Questo articolo è ripubblicato da La conversazione.

Non solo le persone hanno bisogno di stare al fresco, soprattutto in un’estate di ondate di caldo da record. Molte macchine, inclusi cellulari, data center, automobili e aeroplani, diventano meno efficienti e si degradano più rapidamente in condizioni di caldo estremo. Anche le macchine generano il proprio calore, che può rendere ancora più calde le temperature intorno a loro.

Siamo ricercatori ingegneristici che studiano il modo in cui le macchine gestiscono il calore e i modi per recuperare e riutilizzare in modo efficace il calore che altrimenti verrebbe sprecato. Esistono diversi modi in cui il calore estremo influisce sulle macchine.

Nessuna macchina è perfettamente efficiente: tutte le macchine sono soggette ad attrito interno durante il funzionamento. Questo attrito fa sì che le macchine dissipino parte del calore, quindi più caldo è fuori, più calda sarà la macchina.

Anche i telefoni cellulari e dispositivi simili con batterie agli ioni di litio smettono di funzionare quando operano in climi superiori a 95 gradi Fahrenheit (35 gradi Celsius) – questo per evitare il surriscaldamento e un maggiore stress sui componenti elettronici.

I progetti di raffreddamento che utilizzano fluidi innovativi a cambiamento di fase possono aiutare a mantenere le macchine fresche, ma nella maggior parte dei casi il calore viene comunque dissipato nell’aria. Quindi, più calda è l’aria, più difficile è mantenere una macchina sufficientemente fresca da funzionare in modo efficiente.

Inoltre, più le macchine sono vicine tra loro, maggiore sarà il calore dissipato nell’ambiente circostante.

Materiali deformanti

Temperature più elevate, dovute alle condizioni meteorologiche o al calore in eccesso irradiato dai macchinari, possono causare la deformazione dei materiali nei macchinari. Per capirlo, considera cosa significa temperatura a livello molecolare.

Su scala molecolare, la temperatura è una misura di quanto le molecole vibrano. Quindi più fa caldo, più vibrano le molecole che compongono tutto, dall’aria al suolo, ai materiali nei macchinari.

Man mano che la temperatura aumenta e le molecole vibrano di più, lo spazio medio tra loro cresce, provocando l’espansione della maggior parte dei materiali mentre si riscaldano. Le strade sono un posto in cui è possibile verificarlo: il cemento caldo si espande, si restringe e alla fine si rompe. Questo fenomeno può accadere anche ai macchinari e gli stress termici sono solo l’inizio del problema.

Ritardi nel viaggio e rischi per la sicurezza

Le alte temperature possono anche modificare il comportamento degli oli nel motore della tua auto, portando a potenziali guasti al motore. Ad esempio, se un’ondata di caldo rende la temperatura di 30 gradi F (16,7 gradi C) più calda del normale, la viscosità – o spessore – dei tipici oli per motori di automobili può cambiare di un fattore tre.

I fluidi come gli oli motore diventano più fluidi man mano che si riscaldano, quindi se fa troppo caldo, l’olio potrebbe non essere abbastanza denso da lubrificare e proteggere adeguatamente le parti del motore da una maggiore usura.

Inoltre, una giornata calda farà espandere l’aria all’interno dei pneumatici e ne aumenterà la pressione, il che potrebbe aumentare l’usura e il rischio di slittamento.

Inoltre, gli aeroplani non sono progettati per decollare a temperature estreme. Quando fuori fa più caldo, l’aria inizia ad espandersi e occupa più spazio di prima, rendendola più sottile o meno densa. Questa riduzione della densità dell’aria diminuisce la quantità di peso che l’aereo può sostenere durante il volo, il che può causare notevoli ritardi di viaggio o cancellazioni del volo.

Degrado della batteria

In generale, i componenti elettronici contenuti in dispositivi come telefoni cellulari, personal computer e data center sono costituiti da molti tipi di materiali che rispondono in modo diverso ai cambiamenti di temperatura. Questi materiali si trovano tutti uno accanto all’altro in spazi ristretti. Pertanto, all’aumentare della temperatura, diversi tipi di materiali si deformano in modo diverso, portando potenzialmente a usura e guasti prematuri.

Le batterie agli ioni di litio nelle automobili e nei dispositivi elettronici generali si degradano più rapidamente a temperature operative più elevate. Questo perché temperature più elevate aumentano la velocità delle reazioni all’interno della batteria, comprese le reazioni di corrosione che riducono il litio nella batteria. Questo processo consuma la sua capacità di stoccaggio. Ricerche recenti mostrano che i veicoli elettrici possono perdere circa il 20% della loro autonomia se esposti a temperature prolungate di 90 gradi Fahrenheit.

I data center, che sono edifici pieni di server che archiviano dati, dissipano quantità significative di calore per mantenere freschi i loro componenti. Nelle giornate molto calde, le ventole devono lavorare di più per garantire che i chip non si surriscaldino. In alcuni casi, le ventole potenti non sono sufficienti per raffreddare l’elettronica.

Per mantenere freschi i centri, l’aria secca in entrata dall’esterno viene spesso prima inviata attraverso un cuscinetto umido. L’acqua del cuscinetto evapora nell’aria e assorbe il calore, raffreddando l’aria. Questa tecnica, chiamata raffreddamento evaporativo, è solitamente un modo economico ed efficace per mantenere i trucioli a una temperatura operativa ragionevole.

Tuttavia, il raffreddamento evaporativo può richiedere una quantità significativa di acqua. Questo problema è problematico nelle regioni in cui l’acqua scarseggia. L’acqua per il raffreddamento può aumentare il già intenso impatto di risorse associato ai data center.

Condizionatori in difficoltà

I condizionatori faticano a funzionare in modo efficace quando fuori fa più caldo, proprio quando sono più necessari. Nelle giornate calde, i compressori dei condizionatori devono lavorare di più per inviare il calore dalle case all’esterno, il che a sua volta aumenta in modo sproporzionato il consumo di elettricità e la domanda complessiva di elettricità.

Ad esempio, in Texas, ogni aumento di 1,8 gradi F (1 grado C) crea un aumento di circa il 4% nella domanda di elettricità.

Il caldo porta a uno sconcertante aumento del 50% della domanda di elettricità durante l’estate nei paesi più caldi, ponendo gravi minacce di carenza di elettricità o blackout, insieme a maggiori emissioni di gas serra.

Come prevenire i danni da calore

Le ondate di calore e l’aumento delle temperature in tutto il mondo pongono problemi significativi a breve e lungo termine sia per le persone che per le macchine. Fortunatamente, ci sono cose che puoi fare per ridurre al minimo i danni.

Innanzitutto, assicurati che le tue macchine siano conservate in uno spazio climatizzato, ben isolato o lontano dalla luce solare diretta.

In secondo luogo, prendi in considerazione l’utilizzo di dispositivi ad alta energia come i condizionatori d’aria o la ricarica del tuo veicolo elettrico durante le ore non di punta, quando meno persone utilizzano l’elettricità. Ciò può aiutare a evitare carenze elettriche locali.

Riutilizzare il calore

Scienziati e ingegneri stanno sviluppando modi per utilizzare e riciclare le grandi quantità di calore dissipate dalle macchine. Un semplice esempio è l’utilizzo del calore di scarto dei data center per riscaldare l’acqua.

Il calore disperso potrebbe anche alimentare altri tipi di sistemi di condizionamento dell’aria, come i refrigeratori ad assorbimento, che possono effettivamente utilizzare il calore come energia per supportare i refrigeratori attraverso una serie di processi chimici e di trasferimento del calore.

In entrambi i casi, l’energia necessaria per riscaldare o raffreddare qualcosa proviene dal calore che altrimenti verrebbe sprecato. Infatti, il calore di scarto delle centrali elettriche potrebbe ipoteticamente supportare il 27% del fabbisogno di climatizzazione residenziale, riducendo così il consumo energetico complessivo e le emissioni di carbonio.

Il caldo estremo può influenzare ogni aspetto della vita moderna e le ondate di caldo non scompariranno nei prossimi anni. Tuttavia, ci sono opportunità per sfruttare il calore estremo e farlo funzionare per noi.

Srinivas Garimella è professore di ingegneria meccanica al Georgia Institute of Technology e Matthew T. Hughes è un associato post-dottorato al Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.