Gli indumenti “intelligenti” a energia solare potrebbero riscaldare o raffreddare rapidamente il tuo corpo

Ho un pessimo controllo della temperatura corporea. Metto la testa nel congelatore quando fuori fa un caldo torrido. I vasi sanguigni nelle mie mani si spasmano quando è umido e freddo. "Ho caldo; adesso ho freddo” è uno scherzo ricorrente nella mia famiglia.

Ma sono fortunato: rispetto agli animali a sangue freddo, noi esseri umani abbiamo una miriade di modi per mantenere il nostro corpo in funzione a una vasta gamma di temperature. Tremiamo quando fa freddo e sudiamo tantissimo per allontanare il caldo. E quando lottiamo in condizioni di caldo o freddo estremi, abbiamo la capacità di cambiare il nostro guardaroba.

Sembra ovvio, ma l’abbigliamento ci ha permesso di esplorare i confini più remoti del nostro mondo rimanendo relativamente comodi e sicuri. Ma anche gli indumenti più tecnici – gilet autoriscaldanti, strati di Gore-Tex o tute con impacchi di ghiaccio incorporati – hanno i loro limiti. La maggior parte può riscaldare o raffreddare il corpo, ma non entrambi, oppure richiede una fonte di alimentazione esterna o una batteria ingombrante.

Questi indumenti vacillano nel deserto o nelle aree ad alta quota, dove le temperature possono oscillare drasticamente dal caldo torrido allo zero. E mentre andiamo oltre la Terra, una tuta leggera che controlla la temperatura corporea potrebbe rendere le passeggiate spaziali più lunghe più plausibili e piacevoli.

Questa settimana, scienziati dell'Università di Nankai ha fatto un passo verso abbigliamento intelligente che regola rapidamente la temperatura corporea utilizzando solo l’energia solare. Il team ha creato un materiale flessibile che cattura la luce solare per immagazzinare e trasferire il calore. Durante il giorno, il cerotto rimuove il calore dalla pelle e immagazzina l'energia in eccesso. Di notte, quando fa più fresco, rilascia questa riserva di energia per riscaldare la pelle a livelli confortevoli.

Poiché l'unità è alimentata dall'energia solare, può mantenere la temperatura cutanea senza batteria. Il patch può anche adattarsi rapidamente alle oscillazioni della temperatura ambiente passando automaticamente dalla modalità di raffreddamento a quella di riscaldamento.

In un test, il team ha posizionato il cerotto sulla mano di un volontario e ha raffreddato la pelle per oltre il XNUMX% in pochi secondi. Il cerotto potrebbe mantenere la pelle confortevole se esposta a un'ampia gamma di temperature, dal gelo al caldo a livello della Death Valley.

Invece di progettare abiti realizzati interamente con questo materiale, il team immagina che possa essere strategicamente inserito nella moda di tutti i giorni o nelle tute spaziali, con toppe più grandi nella zona del busto e della schiena e toppe più piccole su misura per le spalle, la parte superiore delle braccia e la parte anteriore delle cosce. . Anche senza coprire l’intero corpo, l’elevata efficienza dei cerotti nell’immagazzinare e trasferire il calore può mantenere chi li indossa comodo tutto il giorno, purché ci siano alcune ore di sole.

Il dispositivo “apre molte possibilità” per “espandere l’adattamento umano ad ambienti difficili”, ha scritto Dott. Xingyi Huang e Peng Li dell’Università Jiao Tong di Shanghai, che non sono stati coinvolti nello studio.

Moda fantascientifica

È difficile battere il fatto di rannicchiarsi sotto una coperta riscaldata mentre si guarda la neve cadere fuori. Al contrario, correre nella gelida aria invernale per inseguire un pacchetto regalo è un vero incubo, soprattutto quando si indossa pigiama e pantofole.

I nostri corpi non sono costruiti per temperature estreme. I processi biologici che ci permettono di pensare, sentire, respirare e digerire dipendono tutti da proteine ​​che funzionano meglio in un piccolo intervallo di temperature ambientali. Chiamata “zona di comfort termico”, è all’incirca tra 71 e 82 gradi Fahrenheit (o 22 e 28 gradi Celsius). Le temperature al di fuori di questo intervallo fanno sudare o tremare il corpo per mantenere sotto controllo la temperatura interna. Ma questi meccanismi biologici falliscono in condizioni di caldo o freddo estremi, provocando colpi di calore, congelamento o addirittura la morte.

L'abbigliamento può estendere la zona di comfort termico regolando la temperatura cutanea sia passivamente che attivamente. Le opzioni passive non necessitano di una fonte di alimentazione. Alcuni, come gli scaldamani, utilizzano reazioni chimiche per generare e rilasciare calore. Altri dissipano il calore nell'ambiente circostante per rinfrescare chi li indossa o riflettono il calore corporeo sulla pelle per mantenerla calda. Giubbotti imbottiti, ghette rinfrescanti per il collo o tessuti traspiranti rientrano in questa categoria.

I materiali attivi utilizzano una fonte di alimentazione esterna per modificare rapidamente la temperatura di un materiale su richiesta. Ma l’elevato consumo energetico rende difficile mantenere la temperatura tutto il giorno, soprattutto quando chi lo indossa è in movimento.

Abbigliamento solare-termico

Il nuovo studio ha livellato i materiali attivi utilizzando una fonte di energia naturale: il sole.

Il materiale flessibile è come un sandwich a faccia aperta. Sulla parte superiore c'è un pannello solare flessibile che converte rapidamente la luce solare in energia elettrica e un modulo di accumulo per catturare l'energia in eccesso. Il lato inferiore, rivolto verso la pelle, è un dispositivo elettrocalorico, una pellicola sottile che cambia rapidamente le sue proprietà quando esposta all'elettricità. Dato uno shock elettrico, questo strato assorbe il calore e abbassa la temperatura ambiente. Spegnendo il campo elettrico si inverte il processo e il dispositivo trasferisce il calore alla pelle.

Il dispositivo può passare rapidamente tra i cicli di riscaldamento e raffreddamento e, a differenza delle precedenti versioni rigide, il materiale è pieghevole e può adattarsi alla pelle umana come un cerotto.

In un test, il team ha messo il materiale sulla mano di un volontario e ha variato la temperatura ambiente tra fredda e molto tosta. Hanno monitorato la temperatura cutanea del volontario con una telecamera a infrarossi.

Il piccolo cerotto ha raggiunto temperature confortevoli entro pochi secondi dalle variazioni della temperatura ambiente. Era anche autosufficiente e funzionava facilmente per un'intera giornata con dodici ore di luce solare.

Verso l'ignoto?

Il nuovo sistema amplia la zona di comfort termico naturale della nostra pelle. L’“impressionante” espansione consente al corpo di “adattarsi ad ambienti più complessi e mutevoli”, hanno scritto Huang e Li.

Una potenziale applicazione è l’inserimento del materiale “in una tuta spaziale convenzionale per contribuire a ridurre i requisiti energetici complessivi”, ha scritto il team. Anche se trovare spazio (nessun gioco di parole) potrebbe rappresentare una sfida. Una tuta spaziale attrezzata ha solo una certa area esposta alla luce solare, il che limita la dimensione dei pannelli. Circa il 60% della tuta spaziale dovrà essere ricoperta dal materiale per poterla alimentare per un giorno intero senza una fonte di batteria esterna.

Inoltre, anche sulla Terra, la diminuzione della luce solare in inverno rende più difficile caricare il materiale, soprattutto se si esplorano regioni polari dove il giorno scompare del tutto.

Il team sta già lavorando per rendere il materiale più pratico. Un’idea è quella di utilizzare componenti elettrici sensibili alla temperatura che potrebbero aumentare ulteriormente il range di controllo della temperatura del cerotto. Un altro è aggiungere sostanze chimiche che aumentano la capacità del cerotto di condurre elettricità, rendendolo più efficiente nell’immagazzinare e trasferire il calore. Il collegamento di più strati elettrocalorici dalla testa ai piedi potrebbe anche aumentare la capacità del dispositivo di gestire i cambiamenti di temperatura.

Per Huang e Li, il materiale ha molti più usi oltre all’abbigliamento. Potrebbe rivestire veicoli o edifici per mantenere sotto controllo la temperatura senza aria condizionata. Con temperature estreme prendendo più vite rispetto a uragani, inondazioni o tornado messi insieme, questi materiali non sono solo per intrepidi esploratori: potrebbero cambiare la nostra vita quotidiana.

Immagine di credito: Kajetan Sumila / Unsplash

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/12/18/solar-powered-smart-clothing-could-rapidly-heat-or-cool-your-body/