Applicazioni di termoacustica: dal motore al refrigeratore

La termoacustica sta attualmente compiendo numerosi passi avanti grazie alla soluzione innovativa di ricavare energia meccanica o calore sfruttando le proprietà delle onde sonore. Si tratta di una tecnologia che potrebbe riscuotere un enorme successo dato il vantaggio di poter utilizzare materiali facilmente reperibili e poco costosi.

Ma quali sono i processi su cui si basa questa tecnologia?

I dispositivi della tecnologia termoacustica

Sfruttando i principi della termoacustica si possono ottenere due dispositivi con funzioni opposte: il motore ed il refrigeratore.

Essi utilizzano principalmente tre strumenti essenziali per il funzionamento. Per prima cosa, è necessario introdurre energia nel sistema. Nel caso di un refrigeratore, si utilizza una sorgente sonora (denominata woofer) che genera onde di frequenza regolabile. Nel caso di un motore, una sorgente di calore che genera una differenza di temperatura. Il sistema è esternamente limitato da un tubo risonatore che contiene un fluido (di solito aria) e nel quale l’onda, regolata alla giusta frequenza di risonanza, raggiunge una condizione di stazionarietà. Tipicamente questo tubo è chiuso ad un’estremità con un tappo di alluminio con lo scopo di dissipare calore. L’altra estremità è occupata dall’altoparlante. Infine, lo stack è un materiale poroso che permette lo scambio tra energia acustica ed energia termica. Viene posto all’interno del tubo risonatore, ha una lunghezza inferiore a quella dell’onda stazionaria ed è un pessimo conduttore termico.

La chiave della tecnologia termoacustica

I fenomeni principali della termoacustica si basano su un fondamentale principio di termodinamica.

Sperimentalmente, si è osservato che l’aria si presenta come un cattivo conduttore termico, per cui l’interno del tubo può essere considerato in regime adiabatico. Questo indica che l’aria si scalda durante una compressione e si raffredda durante una rarefazione, generando variazioni di temperatura locali. Tuttavia, si tratta di una variazione termica molto bassa, dell’ordine di 0,001°C. Questo effetto si verifica anche in prossimità delle pareti del tubo, dove però l’aria può propagarsi solo per una specifica distanza, detta lunghezza di penetrazione termica. Infatti, dato che il volume d’aria subisce compressioni e rarefazioni successive, ad un aumento di temperatura dovuto a compressione segue un raffreddamento per rarefazione. Per amplificare gli effetti di variazioni locali di temperatura si usa un materiale poroso all’interno del tubo risonatore, lo stack. All’interno dei pori gli effetti di variazione locale di temperatura si sommano, per ottenere un risultato macroscopico.

Dove possiamo sfruttare la termoacustica: il refrigeratore

Il refrigeratore termoacustico trasforma l’energia meccanica trasportata da onde sonore in flusso di calore da un corpo freddo ad un corpo caldo. Il refrigeratore si attiva quando il woofer genera un’onda sonora alla frequenza di risonanza del tubo. Questa si propaga, mediante una serie di condensazioni e rarefazioni, attraverso l’aria contenuta nel fluido come un’onda stazionaria. Quando un volume d’aria è investito dalla prima mezza oscillazione viene compresso velocemente. Grazie al regime adiabatico, si genera un aumento di temperatura, che scalda lo stack sulle pareti del tubo. La seconda mezza oscillazione dell’onda richiama il volume d’aria ottenendo una rarefazione, che produce una diminuzione di temperatura. Lo stack nella nuova zona di contatto, che si trova in questo caso ad una temperatura superiore, cede calore all’aria.

A questo punto il ciclo può ricominciare. Come si osserva, ad ogni ciclo il dispositivo traferisce calore da un punto all’altro dello stack, dalla zona più fredda a quella più calda.

Dal calore all’energia meccanica: il motore termoacustico

Il motore termoacustico è in grado di trasformare un flusso di calore in energia meccanica, sotto forma di onde sonore. Esso utilizza una sorgente di calore per generare una differenza di temperatura tra gli estremi dello stack. La differenza di temperatura genera compressione e rarefazione nel tubo, innescando un’onda stazionaria nel tubo. La vibrazione si mantiene solamente se il calore è ceduto nel momento di massima densità dell’aria, e sottratto nel momento di massima rarefazione. L’aria, nell’istante in cui si riscalda a seguito del calore assorbito dallo stack, comincia ad espandersi, fin quando non raggiunge la massima rarefazione. A questo punto, in virtù della sua elasticità, il volumetto è richiamato verso il punto iniziale, dove si comprime nuovamente e ricomincia il ciclo.

Affinché il motore funzioni, è necessario che la variazione di temperatura lungo lo stack sia maggiore della temperatura raggiunta dall’aria durante la compressione.

Applicazione di motori e refrigeratori termoacustici

Le tecnologie termoacustiche hanno aumentato in modo evidente i rendimenti negli ultimi anni, toccando il 42% del rendimento delle macchine ideali di Carnot.

Attualmente numerose università americane stanno sviluppando prototipi di motori termoacustici, il cui utilizzo è previsto in tutti i campi. Mezzi di trasporto e mezzi spaziali sono tra le categorie che verranno maggiormente influenzate da questa tecnologia. Secondo alcuni studi in Corea, la termoacustica potrebbe essere persino sfruttata nei cellulari, con il potenziale di ricaricare la batteria con le onde sonore prodotte dalla voce.

Articolo a cura di Giuseppe NAPPI