Dimostrare il riscaldamento e il raffreddamento guidati dalla pressione usando uno scambiatore di calore rivestito con MOF

Trasformare la pressione in riscaldamento e raffreddamento

Mantenere gli edifici confortevoli senza riscaldare il pianeta è una sfida crescente. Molte pompe di calore comuni dipendono ancora da alte pressioni e da refrigeranti che possono danneggiare il clima. Questo studio esplora una strada diversa: utilizzare l’anidride carbonica innocua (CO₂) e un materiale simile a una spugna per generare riscaldamento e raffreddamento semplicemente variando la pressione, senza far bollire o condensare un fluido. Il lavoro dimostra in laboratorio che l’idea non è solo teoria: può riscaldare o raffreddare rapidamente acqua in flusso di diversi gradi, con pressioni relativamente modeste.

Un nuovo modo di trasferire calore

Le pompe di calore a CO₂ convenzionali solitamente funzionano a pressioni molto elevate e in condizioni supercritiche, il che rende gli apparati più spessi, pesanti e complessi. I ricercatori invece testano un concetto chiamato sistema ibrido compressione–adsorbimento. Al suo centro c’è uno scambiatore di calore speciale: un tubo metallico con alette, rivestito con un materiale poroso noto come struttura metal–organica, o MOF. Questo MOF (denominato MIL-101(Cr)) agisce come una spugna a scala nanometrica che può assorbire grandi quantità di CO₂ sulle sue superfici interne. Quando la CO₂ aderisce al MOF a pressione più elevata, rilascia calore; quando la pressione viene abbassata e la CO₂ viene rilasciata, assorbe calore. Se acqua scorre all’interno del tubo mentre ciò avviene, quell’acqua può essere riscaldata o raffreddata senza mai mescolarsi con il gas.

Come funziona il sistema di prova

Il team ha costruito un dispositivo in modalità batch: lo scambiatore di calore rivestito con MOF è collocato all’interno di un recipiente a pressione sigillato, collegato a un compressore e a un serbatoio di gas separato. Aumentando rapidamente la pressione della CO₂ da 0,8 a 3,0 megapascal, forzano la CO₂ nel MOF, che si riscalda e poi cede calore all’acqua che scorre nel tubo. Abbassare nuovamente la pressione fa sì che la CO₂ lasci il MOF, raffreddandolo e raffreddando invece l’acqua. In condizioni di prova tipiche — acqua a temperatura ambiente in ingresso a una portata modesta — il sistema ha modificato la temperatura dell’acqua in uscita di circa più o meno 9 kelvin (approssimativamente più o meno 9 °C), e quasi tutto l’assorbimento o rilascio di CO₂ si è verificato entro due minuti. Ogni ciclo ha trasferito circa 20 kilojoule di calore, con circa l’81% di quell’energia effettivamente trasferita all’acqua.

Cosa controlla le prestazioni

Per capire come ottenere il massimo da questo approccio, i ricercatori hanno variato diverse condizioni operative. L’ampiezza della variazione di pressione si è rivelata il fattore principale nel determinare il riscaldamento e il raffreddamento totali: escursioni più ampie e pressioni complessive più basse hanno portato a un maggiore movimento di CO₂ dentro e fuori dal MOF e quindi a effetti termici più intensi. Modificare la velocità con cui la pressione aumentava o diminuiva ha alterato principalmente la rapidità del picco di temperatura, non l’energia totale trasferita per ciclo. Allo stesso modo, la temperatura di ingresso dell’acqua ha avuto solo una piccola influenza, confermando che la fonte chiave di calore è l’adsorbimento e il desorbimento della CO₂ sul MOF, piuttosto che il semplice riscaldamento o raffreddamento del gas stesso. Al contrario, la portata dell’acqua ha avuto un forte effetto sulla potenza: flussi più rapidi non hanno aumentato molto la temperatura massima o minima dell’acqua, ma hanno ridotto il tempo necessario per un ciclo e aumentato la potenza di riscaldamento e raffreddamento media.

Uno sguardo all’interno dello scambiatore di calore

Poiché lo strato di MOF e l’acqua cambiano entrambi temperatura nel tempo, le formule standard per scambiatori di calore in regime stazionario non sono sufficienti per prevederne il comportamento. Gli autori hanno quindi costruito un modello computazionale dettagliato che simula il trasporto di massa, momento ed energia nel letto di MOF, nel tubo metallico e nell’acqua. Hanno calibrato il modello utilizzando proprietà note della CO₂ in MIL-101(Cr) e ne hanno confrontato le previsioni con le misure sperimentali. La corrispondenza è stata buona: le simulazioni hanno riprodotto come le temperature del MOF e dell’acqua evolvono lungo il tubo e come diverse portate d’acqua modificano la potenza di riscaldamento. Ciò dà fiducia che il modello possa essere usato per progettare e ottimizzare dispositivi futuri senza dover costruire e testare ogni variante.

Perché questo è importante per le pompe di calore future

Esperimenti e simulazioni mostrano congiuntamente che l’adsorbimento di CO₂ guidato dalla pressione può fornire in modo affidabile riscaldamento e raffreddamento utili a pressioni inferiori al punto critico della CO₂, evitando alcune delle sfide di sicurezza e di progettazione dei sistemi a CO₂ ad alta pressione odierni. Il prototipo funziona in modalità batch anziché in continuo, ma dimostra la fisica di base e individua limiti pratici, in particolare la necessità di migliorare il trasferimento di calore sul lato dell’acqua del dispositivo. Con progetti di scambiatore migliori, letti multipli in sequenza e integrazione con lo stoccaggio termico, questo concetto potrebbe portare a nuove classi di pompe di calore che utilizzano CO₂ a impatto climatico ridotto e materiali porosi avanzati per riscaldare e raffreddare abitazioni e edifici in modo più sicuro ed efficiente.

Citazione: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Parole chiave: pompa di calore a anidride carbonica, raffreddamento per adsorbimento, struttura metal-organica, refrigerazione a bassa pressione, HVAC sostenibile