La nuova vernice conferisce un'ulteriore isolamento, consentendo di risparmiare energia, costi ed emissioni di carbonio.

14 agosto 2023

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di Mark Golden, Università di Stanford

Gli scienziati dell'Università di Stanford hanno inventato un nuovo tipo di vernice che può mantenere le case e gli altri edifici più freschi in estate e più caldi in inverno, riducendo significativamente il consumo di energia, i costi e le emissioni di gas serra.

Riscaldamento e raffreddamento degli spazi rappresentano circa il 13% del consumo energetico mondiale e circa l'11% delle emissioni di gas serra. Secondo uno studio pubblicato oggi nelle Proceedings of the National Academy of Sciences, le nuove vernici hanno ridotto del 36% l'energia utilizzata per il riscaldamento in esperimenti condotti in ambienti artificiali freddi. Hanno ridotto del quasi 21% l'energia necessaria per il raffreddamento in condizioni calde artificiali. In simulazioni di un tipico edificio residenziale a medio-alto livello in diverse zone climatiche degli Stati Uniti con la nuova vernice sulle pareti esterne e sui tetti, l'uso totale di energia per riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria è diminuito del 7,4% nel corso di un anno.

"Il consumo energetico e le emissioni legate al riscaldamento dovrebbero continuare a diminuire grazie ai miglioramenti dell'efficienza energetica, ma l'uso dell'aria condizionata è in aumento, specialmente nelle economie in via di sviluppo in un mondo in via di riscaldamento", ha detto l'autore principale dello studio, Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali, di scienza e ingegneria energetica e di scienza dei fotoni presso il Laboratorio SLAC National Accelerator di Stanford.

"Per il riscaldamento e l'aria condizionata, dobbiamo ridurre globalmente l'energia e le emissioni per raggiungere i nostri obiettivi di emissioni zero", ha detto Cui, che dirige il Precourt Institute for Energy e l'Sustainability Accelerator, entrambi facenti parte della Stanford Doerr School of Sustainability. "Come ridurre lo scambio di calore tra gli spazi abitativi e di lavoro umani e l'ambiente circostante sta ricevendo sempre più attenzione, e nuovi materiali per un migliore isolamento, come le pellicole a bassa emissività per le finestre, sono molto richiesti".

Le vernici a bassa emissività attualmente in uso di solito hanno un colore argento o grigio metallico, le cui estetiche ne limitano l'uso. Le nuove vernici inventate hanno due strati applicati separatamente: uno strato inferiore riflettente all'infrarosso usando scagli di alluminio e uno strato superiore ultratrasparente e riflettente all'infrarosso usando nanoparticelle inorganiche, disponibili in una vasta gamma di colori. Lo spettro infrarosso della luce solare causa il 49% del riscaldamento naturale del pianeta quando viene assorbito dalle superfici.

Per evitare l'ingresso del calore, la vernice può essere applicata sulle pareti esterne e sui tetti. La maggior parte di questa luce infrarossa passa attraverso lo strato di colore delle nuove vernici, si riflette sullo strato inferiore e viene riflessa verso l'esterno come luce, senza essere assorbita dai materiali da costruzione come calore. Per trattenere il calore all'interno, le vernici vengono applicate sulle pareti interne, dove ancora una volta lo strato inferiore riflette le onde infrarosse che trasferiscono energia attraverso lo spazio e che sono invisibili all'occhio umano.

In particolare, fino all'80% della luce infrarossa media-alta è riflessa dalle vernici, compiendo la maggior parte del lavoro di trattenere il calore all'interno durante il tempo freddo e all'esterno durante il tempo caldo. Lo strato di colore riflette anche parte della luce infrarossa vicina, migliorando la riduzione dell'aria condizionata. Il team di ricerca ha testato le sue vernici nei colori bianco, blu, rosso, giallo, verde, arancione, viola e grigio scuro. Hanno scoperto che erano 10 volte migliori delle vernici convenzionali negli stessi colori nel riflettere la luce infrarossa media-alta.

Le vernici possono essere applicate oltre che sugli edifici per migliorare l'efficienza energetica anche altrove. Ad esempio, possono coprire camion e vagoni ferroviari utilizzati per il trasporto refrigerato, in cui i costi di raffreddamento possono rappresentare fino alla metà del bilancio di trasporto.

"Entrambi gli strati possono essere spruzzati su diverse superfici di varie forme e materiali fornendo una barriera termica aggiuntiva in molte situazioni diverse", ha detto Yucan Peng, co-autore dello studio, che ha completato il suo dottorato di ricerca in scienza dei materiali a Stanford nel 2020 ed è ora un ricercatore postdottorato nel Geballe Laboratory for Advanced Materials di Stanford.

The researchers also evaluated how practical their paints would be in various situations. Both layers are water-repellant, which should enhance stability in humid environments. Painted surfaces can be cleaned easily with wet cloth or water flushing, the researchers report. Furthermore, the paints' performance and aesthetics were not diminished after continuous exposure for one week to high temperature (176 degrees Fahrenheit), low temperature (-320.5 degrees Fahrenheit), as well as high acidic and low acidic environments. The paint actually increased the use of air conditioning slightly in some U.S. cities, but no location showed an increased total HVAC load.

'Our team continues to work on refining the paint formulations for practical applications,' said the study's other co-lead author, Jian-Cheng Lai, a postdoctoral scholar advised by Zhenan Bao, professor of chemical engineering. 'For example, water-based solutions would be more environmentally friendly than the organic solvents we used. That could facilitate the commercialization of the paints.'

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

Provided by Stanford University