Tra gli ultimi arrivati nella famiglia dei gadget elettronici c’è il raffredda bevande USB, che prende energia dal computer. Come funziona questo piccolo frigorifero privo di compressore, in cui non circola alcun fluido refrigerante? La risposta si trova nella spiegazione dell’effetto Peltier.

Da quando è stata inventata, la tecnologia USB ha portato all’invenzione di molti apparecchi che utilizzano questo sistema, che permette di trasportare dati da un computer all’altro, ma che consente anche di caricare elettricamente i dispositivi che si collegano al computer tramite un cavo, appunto USB. Una delle ultime novità in questo senso è costituita dai mini frigo USB. Si tratta di frigoriferi dalle dimensioni minuscole, che possono contenere al massimo una o due lattine e devono essere, appunto, collegati al computer per poter funzionare. Si tratta di un’idea molto carina che consente a chi lavora per molto tempo al computer di poter bere bevande sempre fredde.

Per rispondere bisogna sapere che l’effetto termoelettrico è una strada a doppio senso, che può essere percorsa al contrario: se si applica una differenza di potenziale a una catena bimetallica chiusa, una delle due giunzioni si raffredda e l’altra si riscalda. La possibilità di usare un circuito bimetallico come pompa di calore  fu scoperta nel 1834 dal francese Jean Charles A. Peltier e dal suo nome è chiamata effetto Peltier.

L’effetto Peltier è il fenomeno termoelettrico per cui una corrente elettrica che scorre tra due metalli o semiconduttori differenti posti in contatto (giunzione Peltier) produce un trasferimento di calore

Quando il rame e il ferro sono messi a contatto, gli elettroni migrano dal rame, che ha potenziale di estrazione Ve(Cu) minore, al ferro, che ha potenziale di estrazione Ve(Fe) maggiore, finché la differenza di potenziale elettrico che si genera tra i due lati della giunzione a causa di questo trasferimento di cariche non controbilancia la differenza tra i potenziali di estrazione: è questo il principio alla base dell’effetto Volta.

Se ora colleghiamo il ferro, carico negativamente, al polo + di un generatore, e il rame, rimasto carico positivamente, al polo –, la carica riprende a fluire attraverso la giunzione. Il polo +, infatti, attrae gli elettroni in eccesso che si trovano nel ferro e il polo – rifornisce il rame di altri elettroni: come risultato, gli elettroni proseguono il loro moto naturale dal rame al ferro («naturale» perché favorito dalla differenza tra i potenziali di estrazione dei due metalli).

Come mostra il diagramma, quando un elettrone va dal rame al ferro, esso passa da uno stato in cui l’energia potenziale «reticolare» –eVe, associata alle interazioni dell’elettrone con il reticolo cristallino, è maggiore a uno stato in cui tale energia è minore. L’elettrone, quindi, supera uno scalino di energia in discesa.

In altri termini, la forza interna che attrae l’elettrone verso il ferro (risultante delle forze esercitate dagli ioni dei due reticoli) compie un lavoro positivo, aggiungendo energia al moto dell’elettrone. Questa energia in più viene poi restituita al reticolo per effetto Joule e riscalda la giunzione.

Se invece, invertendo le connessioni con il generatore, si fanno scorrere gli elettroni dal ferro al rame, la situazione si capovolge: la forza interna del reticolo compie un lavoro negativo e gli elettroni attraversano lo scalino di energia in salita. Questo salto avviene a spese dell’energia interna del reticolo che, localmente, si raffredda.

La qualità termoelettrica di un sistema è misurata dall’efficienza con cui esso trasferisce calore per effetto Peltier (o genera energia elettrica per effetto Seebeck). Da questo punto di vista, le coppie bimetalliche hanno bassa qualità.

L’interesse pratico per l’effetto Peltier è sorto solo dopo la metà del XX secolo, quando si è scoperto che, rispetto alle giunzioni tra metalli, quelle tra materiali semiconduttori opportunamente trattati hanno una qualità termoelettrica molto superiore. Da allora i sistemi di raffreddamento termoelettrici sono stati adattati agli usi più vari: si trovano in oggetti comuni, come i frigoriferi da campeggio e i deumidificatori, ma anche nelle apparecchiature dei laboratori scientifici, nei satelliti e nelle sonde spaziali.

I sistemi di raffreddamento termoelettrici sono controllati elettronicamente, non hanno parti mobili soggette a usura meccanica e non contengono fluidi refrigeranti nocivi per l’ambiente. Il motivo per cui non hanno ancora sostituito i normali frigoriferi e i condizionatori delle nostre case è la loro efficienza, che resta tuttora inferiore a quella dei sistemi tradizionali. La sfida dei ricercatori è produrre materiali termoelettrici di efficienza sempre maggiore.

Ovviamente, sarebbe irrealistico aspettarsi da questi modelli di mini frigorifero un alto potere refrigerante, ma in genere i mini frigo USB promettono quello che mantengono, ossia consentono di evitare che la temperatura di una bevanda in lattina – e, in base alle dimensioni, anche in bottiglia – si alzi troppo velocemente. Esistono, poi, alcuni modelli di mini frigo USB che sono semplicemente dei thermos, per cui possono anche tenere le bevande in caldo. Questi apparecchi sono ottimi per chi ama bere il tè o il caffè sempre bollente, mentre, come si sa, dopo un po’ che si lavora al computer le bevande calde tendono a raffreddarsi. In questi modelli di mini frigo, per scaldare le bevande basta semplicemente schiacciare un bottone.

Link utili

• Arduino UNO R3
• Elegoo UNO R3
• Arduino Starter Kit per principianti
• Elegoo Advanced Starter Kit
• Arduino Nano