Effetto delle alette nel migliorare la fusione del materiale a cambiamento di fase in un contenitore sferico per accumulo termico

Conservare il sole per dopo

La vita moderna dipende da un’energia costante, mentre il sole arriva solo quando il cielo collabora. Questo studio esplora un modo semplice per immagazzinare il calore solare diurno in modo che possa essere utilizzato ore dopo, usando una cera speciale che fonde e solidifica all’interno di sfere metalliche. Aggiungendo sottili “alette” metalliche nei punti giusti, i ricercatori mostrano che è possibile far caricare e scaricare il calore di questa cera molto più rapidamente, un passo chiave verso sistemi di riscaldamento e acqua calda solari più affidabili.

Perché l’accumulo di calore è importante

I collettori solari possono riscaldare l’acqua a temperature confortevoli, ma nuvole, tramonto e la domanda giornaliera non seguono lo stesso ritmo. L’accumulo di energia termica offre un cuscinetto: assorbe calore quando il sole è intenso e lo rilascia quando serve. Un approccio diffuso usa materiali a cambiamento di fase—sostanze come la cera paraffinica che assorbono molta energia mentre fondono e la restituiscono mentre si solidificano, il tutto intorno a una temperatura quasi costante. Il problema è che queste cere conducono il calore molto poco, quindi senza aiuto fondono e solidificano lentamente, limitando quanta energia utile può entrare e uscire ogni giorno.

Una scatola sferica di cera

Il gruppo ha costruito un sistema di accumulo termico di laboratorio che imita ciò che potrebbe trovarsi all’interno di un scaldabagno solare. Al centro ci sono sfere d’acciaio grandi quanto un melone piccolo, ciascuna riempita con un chilogrammo di cera paraffinica che fonde vicino ai 60 °C, una buona corrispondenza per l’acqua riscaldata dal sole. Acqua calda, che funge da fluido vettore di calore, circola intorno a queste sfere a due temperature, 70 °C e 75 °C, mentre i sensori monitorano le temperature in alto, in basso, al centro e ai lati all’interno della cera. Confrontando la rapidità con cui la cera fonde e si ri-solidifica e quanta energia entra e esce, i ricercatori valutano diverse opzioni di progetto per le sfere.

Quattro modi per aggiungere alette metalliche

Per aiutare la cera a scambiare calore più rapidamente, le sfere possono essere dotate di alette in rame—sottili lamelle che conducono il calore dall’acqua calda attraverso la parete d’acciaio e in profondità nella cera. Lo studio confronta quattro casi: una sfera liscia senza alette; una sfera con due alette che penetrano dall’alto; una con due alette dal basso; e una versione finale con quattro alette, due in alto e due in basso. In tutti i casi, le alette corrono sia all’esterno sia all’interno della sfera, toccando quindi simultaneamente l’acqua in circolazione e la cera. Questa disposizione permette alle alette di funzionare come autostrade termiche, riducendo le zone fredde di cera solida che altrimenti rimarrebbero lontane dalla superficie calda.

Cosa succede all’interno mentre la cera fonde e solidifica

All’avvio del riscaldamento, la cera vicino alla parete esterna della sfera fonde per prima. La cera liquida risultante è più leggera e risale verso l’alto, mentre la cera solida più fredda e più pesante scende verso il basso, istituendo una lenta circolazione che diffonde ulteriormente il calore. Durante il raffreddamento il processo si inverte: la cera si solidifica alla parete e il solido più denso si deposita verso il fondo. I ricercatori rilevano che questo moto naturale da solo non è sufficiente; senza alette, ampie regioni di cera restano solide o liquide per molto tempo. L’aggiunta di alette in alto accelera la fusione nella regione dove si accumula il liquido, mentre le alette in basso attaccano lo strato solido che tende a depositarsi lì. Quando le alette sono posizionate sia in alto sia in basso, il calore raggiunge tutte le regioni chiave e la frazione di cera fusa aumenta e poi diminuisce in modo molto più ripido nel tempo, mostrando una carica e una scarica più rapide.

Carica e scarica più rapide

Misure dettagliate mostrano che il progetto con alette sia in alto sia in basso supera chiaramente gli altri. Rispetto alla sfera liscia, riduce il tempo di fusione di circa un terzo e il tempo di solidificazione di quasi la metà, mantenendo una capacità termica complessiva simile perché viene usata la stessa quantità di cera. Fornisce inoltre la massima efficienza ed efficacia, cioè una quota maggiore del calore in ingresso viene immagazzinata nella cera e poi recuperata. Aumentare la temperatura dell’acqua da 70 °C a 75 °C aumenta ulteriormente la velocità di fusione, ma il posizionamento delle alette rimane il fattore dominante nelle prestazioni.

Cosa significa per i sistemi di tutti i giorni

Per i non specialisti, la conclusione principale è che piccole modifiche di progetto all’interno di una capsula di accumulo possono avere grandi conseguenze pratiche. Posizionando semplicemente alcune alette metalliche sia in alto sia in basso di un contenitore sferico riempito di cera, gli ingegneri possono costruire batterie termiche che si caricano e si scaricano molto più rapidamente senza sacrificare la quantità di calore che possono immagazzinare. Capsule migliorate di questo tipo potrebbero essere inserite in scaldacqua solari, impianti di riscaldamento per edifici o unità industriali di recupero di calore, contribuendo ad attenuare gli alti e bassi della disponibilità solare e rendendo il calore rinnovabile più affidabile.

Citazione: Swami Punniakodi, B.M., Veeramanikandan, M., Manickam, M. et al. Effect of fins in enhancing phase change material fusion in a spherical thermal energy storage container. Sci Rep 16, 8440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38262-8

Parole chiave: accumulo di energia termica, materiale a cambiamento di fase, riscaldamento solare dell'acqua, alette per il trasferimento di calore, cera paraffinica