Cómo los materiales de los que nunca ha oído hablar podrían limpiar el aire acondicionado

Tubos y otros componentes de un prototipo de materiales calóricos desarrollado en la Universidad de Maryland. Cortesía: Ichiro Takeuchi

Hace varios años, investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad de Cambridge realizaron una serie de experimentos simples que podrían tener enormes implicaciones para el enfriamiento y la refrigeración.

Colocaron cristales de plástico de neopentilglicol, un químico común utilizado para producir pinturas y lubricantes, en una cámara, agregaron aceite y bajaron un pistón. A medida que el fluido se comprimía y aplicaba presión, la temperatura de los cristales aumentó alrededor de 40 ˚C.

Era el mayor cambio de temperatura jamás registrado de poner materiales bajo presión, al menos cuando los hallazgos fueron publicados en un artículo de Nature Communications el año pasado. Y aliviar la presión tiene el efecto contrario, enfriando los cristales dramáticamente.

El equipo de investigación dijo que los resultados destacan un enfoque prometedor para reemplazar los refrigerantes tradicionales, lo que podría brindar un enfriamiento ecológico sin comprometer el rendimiento. Tales avances son cruciales, ya que el aumento de la riqueza, el aumento de la población y el aumento de las temperaturas podrían triplicar la demanda de energía de la refrigeración interior para 2050 sin mejoras tecnológicas importantes. los proyectos de la Agencia Internacional de la Energía .

El cambio de temperatura en los materiales fue comparable a los que ocurren en los hidrofluorocarbonos que impulsan el enfriamiento en los sistemas de aire acondicionado y refrigeradores estándar. Los hidrofluorocarbonos, sin embargo, son poderosos gases de efecto invernadero.

El trabajo se basa en un fenómeno conocido desde hace mucho tiempo, familiar si alguna vez has estirado un globo y lo has tocado con tus labios , en el que los llamados materiales calóricos liberan calor cuando se someten a presión o tensión. Someter ciertos materiales a campos magnéticos y eléctricos, o alguna combinación de estas fuerzas, también funciona en algunos casos.

Los científicos han estado desarrollando refrigeradores magnéticos basados ​​en estos principios durante décadas, aunque tienden a requerir imanes grandes, potentes y costosos. Pero los investigadores están logrando avances considerables en el campo, según un artículo de revisión en Science el jueves, escrito por Xavier Moya y N.D. Mathur, científicos de materiales de la Universidad de Cambridge que trabajaron en los experimentos descritos anteriormente.

Los equipos de investigación están identificando numerosos materiales calóricos que sufren grandes cambios de temperatura y los están poniendo a trabajar en prototipos de dispositivos de calefacción y refrigeración, señalan los autores. Los materiales y dispositivos que pueden liberar y transferir grandes cantidades de calor utilizando electricidad, tensión y presión, enfoques que realmente despegaron hace poco más de una década, ya están alcanzando el rendimiento alcanzado a través de décadas de trabajo en magnetismo. dispositivos de refrigeración basados.

Además de reducir la necesidad de hidrofluorocarbonos, la esperanza es que la tecnología eventualmente pueda ser más eficiente energéticamente que los dispositivos de enfriamiento estándar, dado el calor liberado en relación con la cantidad de energía necesaria para impulsar el cambio. Una diferencia crítica con esta tecnología es que los materiales permanecen en estado sólido, mientras que los refrigerantes tradicionales, como los hidrofluorocarbonos, funcionan cambiando entre las fases gaseosa y líquida.

Activación de un cambio de fase

Así es como funciona la tecnología:

Muchos materiales exhiben pequeños cambios de temperatura bajo ciertas fuerzas. Pero los investigadores han estado buscando materiales que sufran grandes cambios, idealmente a partir de la menor energía añadida posible. Entre otros materiales, ciertas aleaciones metálicas han mostrado resultados prometedores bajo tensión; algunas cerámicas y polímeros responden bien a los campos eléctricos; y las sales inorgánicas y el caucho parecen prometedores para la presión.

Las fuerzas o campos alinean los átomos o moléculas dentro de los materiales de manera más ordenada, provocando un cambio de fase similar al que ocurre cuando las moléculas de agua que fluyen libremente se convierten en cristales de hielo compactos. (Sin embargo, en el caso de los materiales calóricos, el cambio de fase ocurre mientras los materiales permanecen en un estado sólido, aunque uno que es más rígido). Este proceso libera suficiente calor latente para explicar la diferencia de energía entre los dos estados. Cuando los materiales retroceden a medida que se liberan las fuerzas, se produce una disminución de la temperatura que luego se puede aprovechar para enfriar.

Esto no es muy diferente de cómo funcionan los dispositivos de refrigeración hoy en día: descomprimen los hidrofluorocarbonos hasta el punto de que pasan de líquido a gas. Pero este enfoque de enfriamiento de estado sólido puede ser mucho más eficiente desde el punto de vista energético, al menos en parte porque no es necesario mover las moléculas tan lejos para provocar el cambio de fase, dice Jun Cui, científico principal del Laboratorio Ames.

Entrando en el mercado

La clave para ofrecer dispositivos comerciales competitivos es identificar materiales asequibles que sufran grandes cambios de temperatura, reviertan fácilmente, soporten ciclos prolongados de estos cambios sin descomponerse (refrigeradores comerciales puede funcionar durante millones de ciclos ), y no son caros.

Ciertos materiales y casos de uso están cerca de llegar al mercado comercial, dice Ichiro Takeuchi, científico de materiales de la Universidad de Maryland. Él puso en marcha una empresa para producir dispositivos de enfriamiento a partir de materiales que responden al estrés hace aproximadamente una década, llamados Maryland Energy & Sensor Technology.

Su grupo de investigación desarrolló un prototipo de dispositivo de enfriamiento que comprime y libera tubos hechos de níquel titanio para inducir calentamiento y enfriamiento. El agua que corre a través de los tubos absorbe y disipa el calor durante la fase inicial, y luego el proceso se ejecuta a la inversa para enfriar el agua que se puede usar para enfriar un contenedor o espacio habitable.

El prototipo de dispositivo de refrigeración desarrollado por el grupo de investigación de Ichiro Takeuchi.

CORTESÍA: ICHIRO TAKEUCHI

La compañía planea producir un enfriador de vino, que no requiere la misma potencia de enfriamiento que un refrigerador grande o una unidad de aire acondicionado de ventana, como producto inicial, utilizando un material no especificado pero menos costoso.

Moya, uno de los autores del artículo de Science, cofundó su propia startup hace aproximadamente un año y medio. Barrocal , con sede en Cambridge, Inglaterra, ha desarrollado un prototipo de bomba de calor que se basa en cristales de plastico que están relacionados con el neopentilglicol pero mejor, dice.

En total, se han formado una docena de nuevas empresas para comercializar la tecnología, y varias empresas existentes, incluido el gigante chino de electrodomésticos Haier y Astronautics Corporation of America , también han explorado su potencial.

Cui espera que veamos algunos de los primeros productos comerciales basados ​​en materiales que cambian de temperatura en respuesta a la fuerza y ​​el estrés dentro de los próximos cinco a 10 años, pero dice que es probable que los precios tarden más en volverse competitivos con los productos de enfriamiento estándar. .

Actualización: esta historia se actualizó para aclarar el momento de los experimentos con neopentilglicol.

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