Nuove prospettive per le “Smart Windows”

Smart Windows con il vetro che si opacizza (a sinistra nell’immagine) (Fonte: gigaom)
Smart Windows con il vetro che si opacizza (a sinistra nell’immagine) (Fonte: gigaom)

Con il termine “Smart Windows” si intende una categoria di vetri (vetri smart) o altri materiali trasparenti le cui proprietà di trasmissione della luce cambiano in seguito all’applicazione di tensione elettrica (elettrocromismo), luce (fotocromismo) o calore (termocromismo), od all’uso di particelle sospese, cristalli liquidi, ecc…Ora questa tecnologia trova ulteriore sviluppo con l’evoluzione delle soluzioni connesse alla tecnologia degli OLED

Il principio degli “Smart Windows” su cui si basa il funzionamento di tali materiali è molto semplice: quando, ad esempio, la loro temperatura sale, il colore o la composizione mutano, e passano da trasparenti ad opachi, impedendo il passaggio di alcune lunghezze d’onda della luce. Inoltre, questo effetto è reversibile.

Installate nei palazzi o nelle abitazioni, le smart windows costituiscono una tecnologia all’avanguardia, fondamentale nella realizzazione di fabbricati ecofriendly, perché permette di accrescere l’efficienza energetica degli stessi, di abbattere i consumi energetici di riscaldamento, aria condizionata ed illuminazione, di migliorare l’isolamento termico della struttura, e di evitare i costi di installazione e manutenzione di barriere ottiche (tendaggi, veneziane o altro).

Esistono comunque ancora degli aspetti critici che limitano il diffondersi di questa tecnologia:

a) i costi dei materiali e di installazione;

b) la durata;

c) il controllo delle caratteristiche funzionali.

Le finestre sono da sempre un componente architettonico problematico, poiché da esse dipende l’ingresso della luce naturale nelle abitazioni e la circolazione dell’aria. E’ impensabile infatti rivestire i vetri con materiali coibentanti non trasparenti (immagine di apertura).

L’utilizzo dell’idrogel

Un primo materiale utilizzato per la realizzazione delle smart windows è l’idrogel, costituito da una miscela di acqua e polimero, che reagisce ai cambiamenti dell’ambiente circostante, soprattutto al cambiamento di temperatura. Tuttavia, questo tipo di materiale non ha finora offerto tutti i risultati sperati, in quanto, sebbene modifichi la trasparenza del vetro, tende anche ad espandersi con il calore, inficiando le prestazioni energetiche della finestra.

Le soluzioni recenti

Per trovare una soluzione a tale problema, il team appartenente all’American Chemical Society Journal Industrial & Engineering Chemistry Research ha indirizzato le sue ricerche alla realizzazione di un’innovativa tipologia di gel, composto da apposite microsfere sospese in un liquido ed inserito tra due lastre di vetro (tipo sandwich) (figura 2).

Prototipo della nuova Smart Window (Fonte: acs)
Figura 2 – Prototipo della nuova Smart Window (Fonte: acs)

Anche questo materiale reagisce alle variazioni di temperatura, per cui, a temperature basse la finestra sarà trasparente, come quella tradizionale, ma nel momento in cui la temperatura sale e supera una determinata soglia, il vetro si opacizza fino a diventare bianco. In tal modo, la luce e il calore vengono riflessi e non raggiungono gli interni dell’edificio.

Con questo materiale è inoltre possibile controllare il rigonfiamento, e le stime fatte dagli tecnici dicono che le finestre hanno un ciclo di vita piuttosto lungo, calcolato in parecchi decenni. Sebbene il loro costo iniziale risulterà più elevato rispetto alle finestre classiche, la spesa potrà essere recuperata e ammortizzata grazie al taglio delle bollette energetiche, molto più contenute grazie all’uso di questi materiali.

Queste futuristiche Smart Windows hanno enormi potenzialità. Possono, infatti, contribuire a mantenere su livelli ideali la temperatura di un palazzo, evitando, come detto, il ricorso all’aria condizionata persino in giorni molto caldi. Inoltre, la presenza di questi vetri particolari rende inutile l’uso di schermature solari (figura 3).

 

Le nuove Smart Windows diventano bianche quando la temperatura supera una certa soglia (Fonte: portalelegance)
Figura 3 – Le nuove Smart Windows diventano bianche quando la temperatura supera una certa soglia (Fonte: portalelegance)

L’applicazione delle nuove Smart Windows, in ultima analisi, contribuirà efficacemente alla costruzione di edifici ecosostenibili. Un aiuto per l’ambiente e per le finanze delle persone.

Un ulteriore sviluppo attraverso gli OLED

Una tematica avveniristica, ma sempre più vicina nel tempo, è relativa alle smart windows realizzate con la tecnologia OLED (Organic Light Emitting Diode), cioè sorgenti luminose che impiegano materiali organici attraversati da corrente elettrica per generare luce. L’obiettivo è realizzare finestre trasparenti che siano il supporto su cui fabbricare queste sorgenti, in modo che, all’occorrenza, possano essere utilizzate per illuminare l’ambiente.

I primi sviluppi delle smart window OLED risalgono al 2005, con il progetto “Novel Smart Windows Based on Transparent Phoshorescent OLEDs”, condotto dalla Universal Display Corporation (UDC) e dall’Università di Princeton. Nel progetto, sono stati sviluppati OLED che sfruttano il principio della fosforescenza invece di quello della fluorescenza, i cosiddetti PHOLED (Phosphorescent OLED), per realizzare sorgenti trasparenti con tecnologia a basso costo.

I PHOLED sono risultati ideali per la realizzazione di dispositivi di larga area e con tale progetto sono state realizzate sorgenti con emissione di luce bianca con efficienza >24 lm/W, luminanza di 1000 cd/m2 e trasparenza superiore al 70%. La tecnologia OLED, unita alla tecnologia degli specchi elettrocromici reversibili, ha portato alla realizzazione di prototipi di smart Windows.

La tecnologia e le soluzioni di prodotto

Samsung, alla conferenza FPD International 2008, ha presentato il primo prototipo di smart windows con tecnologia OLED costituito da 4 pannelli da 12.1 pollici ciascuno.

La trasmittanza è del 30%, ogni pannello ha una risoluzione 840×504 e luminanza di 200 cd/m2 (figura 4). A tale prototipo ha fatto seguito al CES 2012 di Las Vegas, 4 anni dopo, la Samsung Smart Windows: si tratta di una vera e propria finestra interattiva da installare in casa al posto di una normale finestra.

Prototipo di smart windows Samsung al FDP International 2008
Figura 4 – Prototipo di smart windows Samsung al FDP International 2008

È costituita di un ampio pannello touchscreen da 22 pollici che si installa al posto della finestra, e funziona come una finestra, aggiungendo però tutte le funzioni di un normale monitor per computer.

La risoluzione è di 1680 x 1050, il contrasto 500:1, con un consumo di soli 10 W, grazie all’ausilio della luce del sole come fonte di retroilluminazione (figura 5).

Prototipo Samsung Smart Windows al CES 2012 di Las Vegas
Figura 5 – Prototipo Samsung Smart Windows al CES 2012 di Las Vegas

Negli stessi anni, in Europa, Philips ha presentato a Milano all’edizione 2009 di Euroluce un prototipo futuristico di finestra, realizzata con un pannello OLED trasparente di 12 cm di lato, che può essere inserito in lastre di vetro o plastica, ottenendo finestre trasparenti di giorno, ma che possono essere accese per illuminare l’interno quando la luce esterna cala.

In seguito, per realizzare pannelli di dimensioni maggiori, nel 7° programma quadro europeo, venne lanciato il progetto OLED100, collaborazione tra i produttori europei di pannelli OLED.

L’obiettivo di tale progetto è stato quello di sviluppare tutte le tecnologie necessarie per le applicazioni di OLED nell’industria dell’illuminazione (figura 6).

Piastre illuminanti ad OLED trasparenti sviluppate con dispositivi OSRAM / Siemens (cortesia: Osram)
Figura 6 – Piastre illuminanti ad OLED trasparenti sviluppate con dispositivi OSRAM / Siemens (cortesia: Osram)

I progetti in corso

Nel panorama italiano, in questo contesto, vogliamo ricordare due progetti in corso che, tra i vari obiettivi, prevedono lo studio di OLED trasparenti: si tratta del progetto MAAT del Distretto Tecnologico High Tech Scarl (DITECH), e dal progetto SmartCase della società STRESS S.c.a.r.l. di cui fa parte ENEA.

Il progetto MAAT, tra i vari obiettivi, intende realizzare pannelli smart semitrasparenti, di colori modulabili, in cui sono combinate funzionalità di produzione di energia (celle solari), d’illuminazione (OLEDs) e di schermatura controllata (fotovoltacromico). Mentre il progetto SmartCase – che ha gli obiettivi generali quello di una ottimizzazione dei consumi di energia e di migliorare la vivibilità del sistema edilizio – propone OLED trasparenti per l’integrazione negli edifici.

Si tratta, in sostanza, di considerare le finestre come oggetti polifunzionali, che intervengano attivamente in un ambiente, sia per il risparmio energetico complessivo sia nel permetterne una fruibilità migliorata.

Risulta chiaro come la tecnologia delle smart windows, e di quelle ad OLED in particolare, devono ancora esprimere pienamente il loro potenziale, ma anche che avranno un forte impatto sul mercato dei dispositivi optoelettronici, grazie alle dimensioni ed al notevole bagaglio di competenze delle aziende e dei laboratori impegnati nel loro sviluppo.

(Maria Grazia Maglione, Paolo Tassini, ENEA C.R. Portici)

 

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