Autore: Ph.d. Mauro Reali

Materiali innovativi a comportamento dinamico per superfici trasparenti di involucri edilizi. Una pietra d’angolo adattabile alle mutevoli condizioni ambientali esterne,  in grado di gestire le radiazioni termiche e garantire un adeguato illuminamento naturale degli spazi interni.

 “La storia dell’architettura è la storia della lotta dell’uomo per la luce” (Mies Van der Rohe).

Questa citazione introduce perfettamente l’importanza del ruolo svolto dall’involucro edilizio trasparente le cui vetrate hanno avuto un compito fondamentale ed esclusivo nelle architetture di ogni tempo perché permettono il passaggio dell’elemento più importante dello spazio: la luce.

Basta pensare che almeno un ottavo della superfici esterne delle abitazioni è vetrato, per avere un’idea dell’impatto che esse hanno sulle prestazioni energetiche degli edifici. Da stime dell’ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile), solo nel nostro paese, risultano istallati circa 300 milioni di metri quadrati di serramenti, responsabili del 32% dei consumi energetici nazionali e del 25% delle emissioni di CO2.

Per decenni si è costruito in maniera totalmente avulsa da qualsiasi considerazione etica inerente il contesto climatico, traghettati solo dai facili guadagni della speculazione edilizia. Il territorio è stato così invaso di costruzioni energeticamente inefficienti e di immensi “edifici serra invisibili”; obsolete ed inquinanti strutture destinate a gravare pesantemente sulla qualità della vita, sui consumi energetici e sugli ecosistemi ambientali.

Il compito delle superfici vetrate, in contesti ambientali ove le condizioni climatiche variano sempre più repentinamente e i paradigmi estetici dell’architettura richiedono superfici trasparenti sempre più ampie, risulta assai complesso. Il problema principale è garantire contemporaneamente un efficiente isolamento termico e una adeguata illuminazione naturale interna. Aspetti che appaiono subito contrastanti e inflessibili. Infatti le vetrate lasciano penetrare perfettamente la luce naturale ma, specie nei periodi estivi, non riescono a schermare la radiazione solare, generando per effetto serra, il surriscaldamento dei locali.

Immagine termografica che evidenzia le dispersioni termiche delle chiusure trasparenti
Immagine termografica che evidenzia le dispersioni termiche delle chiusure trasparenti

Queste problematiche hanno spinto il mondo scientifico a cercare soluzioni innovative che soddisfino le esigenze prestazionali, il benessere fisico e i canoni estetici, nel rispetto della sostenibilità ambientale e del risparmio energetico intendendo l’involucro edilizio come una struttura mutevole, eco-compatibile e adattabile ai diversi contesti ambientali.

Lo studio di materiali e tecniche innovative che rendano dinamico il ruolo dell’involucro edilizio trasparente, è il tema  del dottorato di ricerca che mi vede attualmente coinvolto presso il Dipartimento di Ricerca dell’Università Politecnica delle Marche. Migliorare le prestazioni schermanti delle vetrate nei periodi caldi,  lasciando filtrare adeguata luce naturale anche nei periodi più freddi, comporta diretti  vantaggi in termini di risparmio energetico per utenze e impiantistica e riduzione delle emissioni inquinanti. All’efficientamento energetico si àncora poi la riqualificazione del parco edilizio esistente con  vantaggi per il settore industriale e per le imprese edili.

Le soluzioni attualmente presenti sul mercato sono diverse: si va dai vetri camera con intercapedine essiccata, a vetri selettivi con incisioni prismatiche in grado di deviare parte della radiazione incidente; dai vetri con sistemi meccanici a lamelle riflettenti orientabili,  ai vetri colorati, riflettenti e/o assorbenti ecc. I più diffusi e performanti sono  i vetro-camera basso emissivi (low-e) con intercapedini riempite di gas isolanti (solitamente gas Argon).

A sinistra il vetro fotocromatico trasparente, a destra il vetro opaco dopo l’attivazione
A sinistra il vetro fotocromatico trasparente, a destra il vetro opaco dopo l’attivazione

I più interessanti dal punto di vista prestazionale, oggetto della presente trattazione, sono i vetri dinamici fotocromatici (di seguito FC). Si tratta di  materiali capaci di controllare dinamicamente il flusso luminoso e consentire una gestione intelligente degli apporti termici. Gli unici esemplari realizzati dall’azienda californiana “View”, sono stati istallati presso il “W San Francisco Hotel”, lo “Starbucks” di Denver e il “Miramar Marine Corps Air Station” di San Diego.Esiste poi una gamma di vetri “dinamici” molto interessante, tema di questa trattazione, capaci di adattarsi alle mutevoli condizioni esterne. Tali vetri sono detti“cromo genici” e rappresentano l’avanguardia delle schermature trasparenti dinamiche. Sono materiali che variano le proprietà ottiche sotto l’azione di un campo o carico elettrico o di una corrente ionica oppure per effetto dell’intensità spettrale della luce, della temperatura o di altri stimoli esterni. La modificazione delle proprietà ottiche consente una variazione dello stato del materiale da trasmittente a parzialmente riflettente o assorbente. Cessata l’azione attivante, tornano allo stato primitivo trasparente. Sono divisi in due grandi categorie: i materiali passivi automodificanti (fotocromici e termocromici) che consentono l’autoregolazione delle proprietà ottiche del sistema e i materiali attivi (cristalli liquidi, Spd, elettrocromatici e gasocromici) che necessitano, per la variazione delle proprietà ottiche, della regolazione da parte dell’utente. Normalmente questi dispositivi vengono prodotti in film sottili e applicati all’interno di vetrocamera o pannelli plastici.

Si tratta di vetri che variano colore e trasparenza quando sono esposti alla radiazione solare, per tornare, allo stato iniziale, quando questa viene meno. Il fenomeno, indotto dall’assorbimento di radiazioni elettromagnetiche , si basa sul cambiamento di stato reversibile e ripetibile di alcune sostanze chimiche, inserite tra due strati energetici aventi diversi spettri di assorbimento della radiazione incidente. Allo stato trasparente la trasmissione della radiazione è molto elevata, circa 80-90 % della banda del visibile mentre allo stato colorato si riduce fino al 10 % del visibile. Il passaggio dallo stato trasparente, allo stato opaco, risulta abbastanza veloce mentre, dallo stato opaco allo stato trasparente si ha un tempo di risposta di alcuni minuti. La loro struttura è molto vetrosa e molto stabile.

Normalmente si tratta di vetri Crown borosilicati a forte tenore di Boro, ai quali vanno ad aggiungersi una serie di elementi che servono a provocare il fenomeno fotocromatico per mezzo dello sviluppo di microcristalli di alogenuro di Argento. Questi sistemi sfruttano il cambiamento cromatico reversibile di alcuni “sensibilizzatori ottici” che sotto l’effetto della radiazione ultravioletta e visibile diventano agenti riducenti ( diminuiscono la valenza positiva o la presenza di ossigeno nei composti dell’idrogeno tramite l’aggiunta di elettroni). I metalli contenuti nei vetri FC, assorbono le radiazioni e diventano “colloidali”.

Immagine di una applicazione di vetri cromogenici
Immagine di una applicazione di vetri cromogenici

Gli additivi responsabili della reazione fotochimica, secondo la quale si forma Ag metallico, sono  Sali AgCl o AgBr. In presenza di radiazione solare incidente, si ha la reazione dei Sali di [Ag+ + Cl] con formazione di Ag e Cl e concomitante oscuramento del vetro dovuto ai cluster di Ag, secondo la seguente reazione chimica: [Ag+ + Cl → Ag + Cl]. A garantire la reversibilità del processo di oscuramento ed evitare il rilascio di cloro gassoso dalla matrice, si inseriscono nel materiale microcristalli di CuCl. Gli atomi di Cloro neutro, liberati con l’esposizione alla luce, vengono ridotti da Cu(I) secondo la reazione: [Cu+ + Cl → Cu2+ + Cl]. A questo punto il Cu2+ reagisce con l’argento metallico formatosi dalla reazione fotocromatica, formando cationi positivi Cu+ e Ag+,  secondo la seguente reazione:  [Cu2+  + Ag → Cu+ + Ag + ].

Questi vetri sono però rimasti in fase embrionale nel settore dell’architettura bioclimatica, per una serie di motivazioni. Le loro prestazioni decadono per problemi di stress termico causati dalla continua esposizione alla radiazione solare. Infatti con l’aumento della temperatura esterna, i vetri tendono a diventare assorbenti anziché riflettenti. Le ripetute esposizioni, specie alle temperature estive, riducono altresì il ciclo di vita del materiale. Inoltre si attivano anche nei periodi invernali, riducendo la trasmittanza luminosa e il guadagno termico interno. Si deve considerare poi che le tecnologie attuali non consentono di uniformare il trattamento fotocromatico su tutta la lastra e non è possibile realizzare superfici trasparenti di grandi dimensioni. Altre motivazioni per le quali lo sviluppo di questi prodotti è stato frenato, sono legate agli alti costi dei materiali e delle tecnologie produttive a fronte di prestazioni non ancora in grado di giustificarne la produzione. Attualmente poi non sono reperibili campioni di vetri fotocromatici omologati sul nostro mercato e la fabbricazione di questi prodotti risulta sospesa per scarsa competitività commerciale con altri prodotti del settore.

Il vero progresso dei prodotti fotocromatici appartiene al mondo dell’ottica, lo stesso da cui essi hanno tratto origine. Fu il dott. Corning, nel 1960, a condurre i primi studi sull’applicazione di materiali reagenti alla luce nel campo delle lenti oftalmiche, e a sviluppare le prime lenti FC in vetro. Benché negli Stati Uniti già negli anni ottanta la società american “Optical” mise in commercio “Photolite”, la prima lente FC in materiale sintetico infrangibile, che era ottenuta con un nuovo processo completamente diverso da quello per lenti in vetro, si dovette aspettare l’inizio degli anni novanta per vedere le prime lenti fotocromatiche in materiale infrangibile con qualità e prestazioni degne di nota e con successo e diffusione globale; tutto ciò avvenne grazie agli esperimenti della “P.P.G” e alla sua neonata società “Transitions” (che successivamente diventerà leader mondiale nel settore di queste lenti). Le lenti FC infrangibili inizialmente offrivano qualità minore e non paragonabile alle lenti in vetro e solo da meno di 10 anni, con l’evoluzione tecnologica e il susseguirsi di nuove generazioni di lenti, il fotocromatismo su lenti infrangibili ha raggiunto e ampiamente superato le prestazioni delle lenti in vetro ed eliminato i principali difetti che affliggevano le prime generazioni.

Anche nel settore “Automotive” i vetri FC sono stati sostituiti dalle pellicole organiche. Il comportamento di questi materiali plastici è del tutto simile a quello degli omologhi vetri minerali ma i processi di variazione delle proprietà fisico-ottiche, sono del tutto diversi. Nei polimeri del carbonio, formati dall’unione di monomeri con legami covalenti, il fotocromatismo organico, si basa sulle variazione della struttura macromolecolare (di elevato peso molecolare) ISN (indolinospiro-naftossazina). Sotto l’azione della radiazione incidente, i legami della macromolecola si aprono e la materia assume una nuova conformazione di isomero a catena aperta che presenta un ottimo assorbimento nella banda del visibile.

Reazione fotocromatica nei materiali polimerici
Reazione fotocromatica nei materiali polimerici

Tale assorbimento provoca l’oscuramento del materiale che assume una colorazione grigio-blu. Quando l’irraggiamento si attenua, gradualmente il materiale torna allo stato trasparente, grazie ai legami che si aprono generando il fenomeno inverso.

La ricerca da me condotta, contempla l’impiego dei polimeri fotosensibili, attualmente prerogativa del settore automobilistico, anche per il settore edile, al fine di realizzare un sistema dinamico di chiusura trasparente innovativa con materiali che possano garantire prestazioni radiometriche e fotometriche variabili, reversibili e più performanti rispetto ai prodotti oggi disponibili.

trasm FC-AZERO
Il diagramma mostra la variazione di trasmittanza spettrale in funzione della lunghezza d’onda, sia allo stato trasparente che allo stato attivo opaco.

I materiali fotosensibili organici oltre ad essere autoregolanti e  a godere di tutte le proprietà degli omonimi in cristallo, hanno una buona resistenza agli agenti chimici, una ottima resistenza meccanica e una buona durata dei cicli reversibili trasparente-colorato e viceversa. Non subiscono forti stress termici se esposti alle alte temperature e garantiscono prestazioni superiori e più omogenee rispetto ai vetri minerali. La possibilità di rendere il trattamento fotocromatico uniforme su tutta la lastra, consente inoltre di poter realizzare anche lastre di grande superficie. Tali materiali sono costituiti da  polimeri del carbonio e l’effetto fotocromatico è indotto dall’applicazione di una pellicola di piccolissimo spessore che consente di filtrare tutta la gamma d’onda delle radiazioni UV e parte delle radiazioni del campo Visibile. La pellicola è altresì capace di eliminare gli effetti di riverbero acustico. Essa, a differenza degli strati fotocromatici dei vetri minerali, permette un effetto omogeneo, duraturo e perfettamente reversibile su tutta la superficie della lastra. La tecnica di produzione, li rende molto più economici dei vetri minerali ed essendo plastici, risultano infrangibili, leggeri, recuperabili, versatili e di facile applicazione. Ultima, ma non ultima motivazione della scelta rivolta alle pellicole fotocromatiche, è la loro composizione. Queste pellicole sono polimeri di “acetato di cellulosa”, unica materia plastica non proveniente dal petrolio ma da elementi vegetali, tra i quali la cellulosa, contenuta nella fibra di cotone. Questo materiale affronta nobilmente la questione della scelta progettuale rispetto alla compatibilità e la sostenibilità ambientale.  Il prodotto è una materia termoplastica amorfa, dotata di ottima limpidità, elevata lucentezza superficiale ed elevata trasmittanza visiva (90%) allo stato trasparente. E’antipolvere, tenace, ha una buona resistenza al graffio e offre un effetto auto lucidante. E’insensibile ad incrinature per tensioni interne,  è resistente all’acqua, alla benzina, ai grassi minerali e al tetracloruro di carbonio. E’ infine un ottimo insonorizzante e il suo campo di impiego varia dai -10° a + 50°  garantendo l’applicazione in quasi tutti i contesti climatici. Attualmente si sta studiando il comportamento e le caratteristiche prestazionali termiche e fotometriche del materiale, sia singolarmente che inserito in un sistema di vetrocamera multistrato. Le prestazioni del materiale sin’ora valutate hanno dato esiti più che soddisfacenti.

Nella figura qui sotto  è riportato il diagramma della trasmittanza spettrale del film FC esaminato. È possibile notare che nel campo di lunghezze d’onda del visibile il materiale svolge un ruolo dinamico nei confronti dell’irraggiamento solare. In assenza di radiazione diretta, il film FC ha una trasmittanza spettrale nell’intervallo del visibile superiore all’80%, garantendo una adeguata illuminazione naturale degli ambienti interni.

trasm FC 550 nm
Variazione della trasmittanza spettrale alla lunghezza d’onda di massima intensità della radiazione solare.

Quando la superficie è sottoposta a radiazione termica diretta, si attiva  il processo fotocromatico e la trasmittanza diminuisce bruscamente scendendo, per lunghezze d’onda comprese tra i 610 e i 670 nm, sotto il 40%. L’oscuramento del film aumenta l’energia solare riflessa e garantisce un isolamento termico maggiore limitando altresì l’effetto abbagliante della luce incidente.

È interessante notare l’effetto oscuramente alla lunghezza d’onda di 550 nm, ove secondo la Legge dello Spostamento di Wien, si ha la massima intensità di radiazione termica. La trasmittanza spettrale monocromatica varia dall’84.7% al 71.73%. L’intervallo di attivazione fa si che il materiale oltre a risultare  totalmente opaco alle radiazioni UV, si attiva nel campo del visibile più vicino all’infrarosso. Questo dato confrontato con i campioni di vetro FC risulta importante in quanto mette in evidenza che, mentre i materiali minerali si attivano nell’interspazio del campo ultravioletto che ai fini di schermatura termica risulta poco ininfluente, questi film lavorano nel campo del visibile fino alle soglie dell’infrarosso. In sostanza il range di attivazione dei polimeri permette un effetto di schermatura termica maggiore sia perché avviene in prossimità della lunghezza d’onda di massima intensità termica, sia perché si avvicina allo spettro dell’infrarosso.

Una delle grandi opportunità di materiale è l’abbinamento con i comuni vetri basso emissivi che lavorano nel campo dell’infrarosso.

In sostanza, è possibile realizzare un sistema dinamico trasparente in grado di attivarsi a diverse lunghezze d’onda del campo della radiazione termica, in funzione degli stimoli ambientali esterni.

sistema ipotesi
Una possibile appapplicazione

In base alle diverse esigenze di  risparmio energetico e comfort abitativo, il serramento innovativo sarebbe in grado di garantire, in ogni condizione climatica, adeguato isolamento termico e illuminazione naturale, a suffragio della sostenibilità ambientale e della tutela delle risorse naturali e con palesi ricadute positive per il settore edile e per i comparti produttivi e commerciali dell’indotto.

 

 

 

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