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

Biotecnología

La nueva era de la refrigeración sostenible está cada vez más cerca

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Los materiales barocalóricos captan y liberan grandes cantidades de calor ante cambios de presión. Los primeros prototipos de neveras y aires acondicionados basados en ellos llegarán al mercado en unos años para intentar desplazar a los contaminantes sistemas actuales de hidrofluorocarbonos

  • por James Temple | traducido por Ana Milutinovic
  • 19 Noviembre, 2020

Hace unos años, investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña (España) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) realizaron una serie de sencillos experimentos que podrían tener enormes implicaciones para las neveras y aires acondicionados.

Colocaron cristal plástico de neopentilglicol (un químico comúnmente usado para producir pinturas y lubricantes) en una cámara, le añadieron el aceite y activaron un pistón. A medida que el fluido se comprimía por la presión, la temperatura de los cristales ascendía unos 40 °C.

Fue el mayor cambio térmico jamás registrado por colocar materiales bajo presión, al menos cuando los hallazgos se publicaron el año pasado en un artículo de Nature Communications. Y la reducción de la presión tiene el efecto contrario: enfría los cristales drásticamente.

El equipo de investigación afirmó que los resultados sugerían un prometedor enfoque para sustituir los refrigerantes tradicionales y que podría ofrecer una "refrigeración respetuosa con el medio ambiente sin afectar el rendimiento". Este tipo de avances son cruciales, ya que según proyecta la Agencia Internacional de Energía, el aumento de la riqueza, el crecimiento de la población y la subida de las temperaturas podrían triplicar la demanda energética para refrigeración en interiores para 2050 si no se producen mejoras tecnológicas importantes.

El cambio térmico en los materiales fue comparable a los que ocurren en los hidrofluorocarbonos (HFC) que impulsan la refrigeración en los sistemas de aire acondicionado y neveras estándar. Pero, los hidrofluorocarbonos son potentes gases de efecto invernadero.

El trabajo se basa en un fenómeno descubierto hace mucho tiempo, y que resultará familiar a cualquiera que alguna vez haya estirado un globo y luego se lo haya acercado a la boca. Se basa en las propiedades de los llamados materiales barocalóricos, que liberan calor cuando se les aplica presión o se tensan. Someter ciertos materiales a campos magnéticos y eléctricos, o a alguna combinación de estas fuerzas, también funciona igual en algunos casos.

Los científicos llevan décadas desarrollando refrigeradores magnéticos basados en estos principios, aunque suelen requerir unos imanes grandes, potentes y caros. Pero los investigadores están consiguiendo considerables avances en este campo, según una revisión publicada en Science la semana pasada. El artículo ha sido escrito por los científicos de materiales de la Universidad de Cambridge Xavier Moya y N. D. Mathur, que participaron en los experimentos descritos en Nature el año pasado.

Los autores señalan que se han identificado numerosos materiales barocalóricos que experimentan grandes cambios térmicos y los han introducido en prototipos de dispositivos de calefacción y refrigeración. Los materiales y dispositivos capaces de liberar y transferir grandes cantidades de calor usando electricidad, tensión y presión (enfoques que realmente se empezaron a usar hace poco más de una década) ya están alcanzando el mismo rendimiento que los dispositivos de refrigeración magnética tardaron décadas en conseguir.

Además de reducir la necesidad de hidrofluorocarbonos, con el tiempo se espera que esta tecnología consiga una mayor eficiencia energética que los dispositivos de refrigeración estándar, dado el calor liberado en relación con la cantidad de energía necesaria para el cambio. Una diferencia fundamental de esta tecnología es que los materiales permanecen en estado sólido, mientras que los refrigerantes tradicionales, como los hidrofluorocarbonos, funcionan al pasar de la fase gaseosa a la líquida.

El cambio de fase

Así es como funciona esta tecnología: muchos materiales experimentan pequeños cambios térmicos bajo ciertas fuerzas. Pero los investigadores han buscado materiales que experimentan grandes cambios, idealmente con la menor cantidad de energía aplicada 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 con la presión.

Las fuerzas o campos ordenan los átomos o moléculas dentro de los materiales, lo que provoca un cambio de fase similar a lo que ocurre cuando las moléculas de agua que fluyen libremente se convierten en cristales de hielo compactos. En el caso de los materiales barocalóricos, el cambio de fase se produce mientras los materiales permanecen en un estado sólido, aunque más rígido.

Este proceso libera suficiente calor latente para cubrir la diferencia de energía entre los dos estados. Cuando los materiales vuelven a su estado inicial al liberarse las fuerzas, se genera una disminución de la temperatura que se puede aprovechar para refrigeración.

No es muy diferente a cómo funcionan los dispositivos de enfriamiento en la actualidad: descomprimen los hidrofluorocarbonos hasta el punto en el que cambian de líquido a gas. Pero este enfoque de refrigeración en estado sólido puede ser mucho más eficiente desde el punto de vista energético, al menos en parte, porque no es necesario mover tanto las moléculas para producir el cambio de fase, explica el científico del Laboratorio Ames Jun Cui.

Entrar en el mercado

La clave para lograr dispositivos comerciales competitivos reside en identificar materiales asequibles, que experimenten grandes cambios térmicos que se reviertan fácilmente y que resistan ciclos prolongados sin romperse (los refrigeradores comerciales pueden funcionar durante millones de ciclos).

Ciertos materiales y casos de uso están cerca de llegar al mercado, asegura el científico de materiales de la Universidad de Maryland (EE. UU.) Ichiro Takeuchi, quien hace aproximadamente una década fundó la empresa Maryland Energy & Sensor Technology para producir dispositivos de refrigeración de materiales que responden bien a la presión.

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

Foto: El prototipo del dispositivo de refrigeración desarrollado por el grupo de investigación de Ichiro Takeuchi. Cortesía: Ichiro Takeuchi

La empresa planea que su producto inicial sea un enfriador de vino, que no requiere la misma potencia de refrigeración que una nevera grande o una unidad de aire acondicionado, utilizando un material no especificado, pero menos costoso.

Moya, uno de los autores del artículo publicado en Science, cofundó su propia start-up hace aproximadamente un año y medio. Barocal, con sede en Cambridge, ha desarrollado un prototipo de bomba de calor con unos cristales de plástico que están "relacionados con el neopentilglicol, pero son mejores", asegura.

En resumen, se han creado una docena de start-ups para comercializar esta 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 entre los próximos cinco y diez años veamos algunos de los primeros productos comerciales basados en los materiales que cambian de temperatura en respuesta a la fuerza y a la presión, pero añade que es probable que los precios tarden varios años más en competir con los productos de refrigeración tradicionales.

Biotecnología

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