Modificando un frigorifero comunemente utilizzato sia nella ricerca che nell'industria, i ricercatori del National Institute of Standards e Tecnologia (NIST) hanno ridotto drasticamente il tempo e l’energia necessari per raffreddare i materiali fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto.
Gli scienziati affermano che il loro prototipo di dispositivo, che stanno ora lavorando per commercializzare con un partner industriale, potrebbe far risparmiare annualmente circa 27 milioni di watt di energia, 30 milioni di dollari nel consumo globale di elettricità e abbastanza acqua di raffreddamento per riempire 5,000 piscine olimpiche.
Dalla stabilizzazione dei qubit (l'unità di base delle informazioni in un computer quantistico) al mantenimento delle proprietà superconduttrici dei materiali e al mantenimento della temperatura del telescopio spaziale James Webb della NASA da poter osservare i cieli, la refrigerazione ultrafredda è essenziale per il funzionamento di molti dispositivi e sensori. Per decenni, il frigorifero a tubi a impulsi (PTR) è stato il dispositivo più utilizzato per raggiungere temperature fredde quanto il vuoto dello spazio.
Questi frigoriferi comprimono (riscaldano) ed espandono (raffreddano) ciclicamente il gas elio ad alta pressione per ottenere il “Grande Freddo”, sostanzialmente analogo al modo in cui un frigorifero domestico utilizza la trasformazione del freon da liquido a vapore per rimuovere il calore. Per più di 40 anni, il PTR ha dimostrato la sua affidabilità, ma è anche assetato di energia, consumando più elettricità di qualsiasi altro componente di un esperimento a temperatura ultrabassa.
Quando il ricercatore del NIST Ryan Snodgrass e i suoi colleghi hanno esaminato più da vicino il frigorifero, hanno scoperto che i produttori avevano costruito il dispositivo in modo che fosse efficiente dal punto di vista energetico solo alla temperatura operativa finale di 4 Kelvin (K), o 4 gradi sopra lo zero assoluto. Il team ha scoperto che questi frigoriferi sono estremamente inefficienti a temperature più elevate, un grosso problema perché il processo di raffreddamento inizia a temperatura ambiente.
Durante una serie di esperimenti, Snodgrass, insieme agli scienziati del NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo e Scott Backhaus, scoprirono che a temperatura ambiente, il gas elio era sotto una pressione così elevata che parte di esso veniva deviato attraverso una valvola di sicurezza invece di essere utilizzato per il raffreddamento. Modificando le connessioni meccaniche tra il compressore e il frigorifero, il team ha assicurato che l'elio non venisse sprecato, migliorando notevolmente l'efficienza del frigorifero.
In particolare, i ricercatori hanno regolato continuamente una serie di valvole che controllano la quantità di gas elio che fluisce dal compressore al frigorifero. Gli scienziati hanno scoperto che se permettessero alle valvole di avere un'apertura più grande a temperatura ambiente e poi le chiudessero gradualmente man mano che il raffreddamento procedeva, avrebbero potuto ridurre il tempo di raffreddamento da metà a un quarto di quello attuale.
Attualmente, gli scienziati devono attendere un giorno o più affinché i nuovi circuiti quantistici siano abbastanza freddi da poter essere testati. Poiché il progresso della ricerca scientifica può essere limitato dal tempo necessario per raggiungere le temperature criogeniche, il raffreddamento più rapido fornito da questa tecnologia potrebbe avere un ampio impatto su molti campi, tra cui l’informatica quantistica e altre aree della ricerca quantistica.
La tecnologia sviluppata dal team del NIST potrebbe anche consentire agli scienziati di sostituire i grandi frigoriferi con tubi a impulsi con altri molto più piccoli, che richiedono meno infrastrutture di supporto, ha affermato Snodgrass.
La necessità di questi frigoriferi si espanderà notevolmente man mano che la ricerca sull’informatica quantistica, insieme alla sua dipendenza dalla tecnologia criogenica, continua a crescere. Il PTR modificato farebbe quindi risparmiare una quantità molto maggiore di denaro, energia elettrica e acqua di raffreddamento. Oltre a supportare una fiorente economia quantistica, il dispositivo accelererebbe anche la ricerca perché gli scienziati non dovrebbero più aspettare giorni o settimane affinché i qubit e altri componenti quantistici si raffreddino.
Il documento è pubblicato sulla rivista Nature Communications.