Termoacustica, produrre energia con le onde sonore

Articolo a cura di Elio DI GIULIO

La termoacustica è la branca della scienza che combina termodinamica, fluidodinamica ed acustica per descrivere la conversione tra energia meccanica sotto forma di onde sonore e calore. Tale trasformazione energetica avviene grazie all’interazione termo-viscosa delle particelle oscillanti, messe in moto dall’onda acustica, con le pareti di un particolare mezzo poroso.

Meccanismo di conversione dell’energia sonora

Il principio di conversione energetica si basa sui concetti di lunghezze di penetrazione termica e viscosa. Ovvero la distanza dalla superficie entro la quale il fluido esplica una variazione di temperatura e quantità di moto. La dissipazione viscosa è alla base del fenomeno che concerne l’assorbimento del suono e come naturale estensione il principio di diffusione termica è il nocciolo centrale della conversione termoacustica.

Imponendo, infatti, le giuste condizioni operative è possibile realizzare due tipi di dispositivi: un motore termoacustico in grado di convertire energia termica in lavoro utile, e viceversa un refrigeratore (o pompa di calore) termoacustico attraverso cui soddisfare un carico termico fornendo energia meccanica. In generale, macchina diretta o inversa sono costituite da:

• Un tubo, detto risuonatore, entro cui viene amplificata l’onda acustica;
• Il core, chiamato “stack”, è il mezzo poroso dimensionato per permettere la giusta interazione fluido-struttura;
• Due scambiatori di calore, da cui prelevare (o fornire) energia termica;
• Un attuatore lineare, in grado di convertire le vibrazioni di una membrana in energia elettrica in caso di funzionamento da motore;
• Un driver acustico, attraverso cui generare l’oscillazione armonica per macchine inverse.

Stato dell’arte della tecnologia

Attualmente alcuni laboratori di ricerca hanno realizzato prototipi funzionanti con diverse applicazioni. Ad esempio la criogenia (basse temperature raggiunte, ma con carichi richiesti molto piccoli). O solar cooling (ottenendo la diretta conversione di energia solare con energia frigorifera impiegabile, attraverso la connessione di più dispositivi in serie).

Questa tecnologia si accinge a rivestire un ruolo importante nello sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili grazie ai suoi vantaggi rispetto a quelle convenzionali, quali:

• Impiego di fluidi di lavoro ecosostenibili (aria, gas nobili);
• Input energetico di basso livello (energia solare, calore di scarto industriale);
• Nessuna parte meccanica in movimento;
• Costi di realizzazione e mantenimento ridotti;

Nonostante le potenzialità, questo le tecnologie termoacustiche non sono attualmente mature per sostenere il mercato con quelle già ben consolidate. Ed è quindi necessario continuare nella ricerca combinata (accademica ed industriale) al fine di aumentare i rendimenti di conversione energetica e quindi i range di applicabilità.