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En los últimos meses, investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad de Cambridge han realizado un experimento sencillo que podría tener enormes implicaciones para el enfriamiento y la refrigeración.
Insertaron cristales de plástico de neopentilglicol (un químico común que se usa para hacer pinturas y lubricantes) en una cámara, agregaron aceite y operaron un pistón. A medida que el fluido se comprimía y aplicaba presión, la temperatura de los cristales aumentaba en aproximadamente 40 ° C.
Fue el cambio de temperatura más grande jamás registrado de materiales presurizados. Y aliviar la presión tiene el efecto contrario: enfriar los cristales dramáticamente.
En un artículo de Nature Communications publicado el año pasado, el equipo de investigación dijo que los hallazgos destacan un enfoque prometedor para reemplazar los refrigerantes tradicionales, que potencialmente ofrecen “enfriamiento ecológico sin comprometer el rendimiento”. Tales avances son cruciales, ya que el aumento de la riqueza, el crecimiento de la población y el aumento de las temperaturas podrían triplicar la demanda de energía de enfriamiento interno para 2050 sin importantes mejoras tecnológicas, según los proyectos de la Agencia Internacional de Energía. .
El cambio de temperatura en los materiales fue comparable al que ocurre en los hidrofluorocarbonos que impulsan el enfriamiento en los sistemas estándar de aire acondicionado y refrigeración. Los hidrofluorocarbonos, sin embargo, son potentes 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 tocado tus labios con él, en el que algunos materiales producen calor cuando se presionan o estresan. En algunos casos, colocar estos llamados materiales calóricos cerca de campos magnéticos y eléctricos también funciona, al igual que ciertas combinaciones de estas fuerzas.
Los científicos han desarrollado refrigeradores magnéticos basados en estos principios durante décadas, aunque tienden a requerir imanes grandes, potentes y costosos. Pero se están logrando avances significativos, según un artículo de revisión en Science el jueves escrito por Xavier Moya y ND 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 poniéndolos a trabajar en prototipos de dispositivos de calentamiento y enfriamiento, según el artículo de Science. Los materiales y dispositivos capaces de liberar y transferir grandes cantidades de calor utilizando electricidad, voltaje y presión, enfoques que solo han tenido éxito desde hace poco más de una década, ya están logrando el rendimiento logrado en décadas de trabajo en el campo. del imán. enfriadores basados en.
Además de reducir la necesidad de hidrofluorocarbonos, la esperanza es que la tecnología eventualmente sea más eficiente energéticamente que los refrigeradores estándar, dado el calor liberado frente a la cantidad de energía necesaria para impulsar el cambio. Un cambio fundamental en este caso es que los materiales permanecen en estado sólido, mientras que los refrigerantes tradicionales, como los hidrofluorocarbonos, funcionan moviéndose entre las fases gaseosa y líquida.
Activación de un cambio de fase
Así es como funciona la tecnología:
Muchos materiales muestran pequeños cambios de temperatura bajo ciertas fuerzas. Pero los investigadores buscaron materiales que sufran grandes desplazamientos, idealmente con la menor cantidad de energía añadida posible. Entre otros materiales, algunas aleaciones de metales 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 átomos o moléculas dentro de los materiales de manera más ordenada, lo que da como resultado un cambio de fase similar a lo que ocurre cuando las moléculas de agua que fluyen libremente se convierten en cristales de hielo compactos. (Una diferencia clave: el cambio de fase ocurre mientras los materiales permanecen en el estado sólido, lo que resulta en uno más rígido). Este proceso libera suficiente calor latente para dar cuenta de la diferencia de energía entre los dos estados. Cuando los materiales retroceden cuando se liberan las fuerzas, se produce una disminución de la temperatura que se puede aprovechar para enfriar.
Esto no es muy diferente de cómo funcionan los refrigeradores en la actualidad: descomprimen los hidrofluorocarbonos hasta el punto de que pasan de un líquido a un 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 moléculas tan lejos para provocar el cambio de fase, dice Jun Cui, científico principal del Laboratorio Ames.
Entrar al mercado
La clave para proporcionar dispositivos comerciales competitivos es identificar materiales económicos que se someten a grandes cambios de temperatura, retroceden fácilmente, soportan ciclos prolongados de estos cambios sin romperse (los refrigeradores comerciales pueden funcionar durante millones de ciclos) y son económicos.
Algunos materiales y casos de uso están cerca de llegar al mercado comercial, dice Ichiro Takeuchi, científico de materiales de la Universidad de Maryland. Hace unos diez años, lanzó una empresa para fabricar dispositivos de enfriamiento con materiales sensibles al estrés llamada Maryland Energy & Sensor Technology.
Su grupo de investigación ha desarrollado un prototipo de dispositivo de enfriamiento que comprime y libera tubos de níquel titanio para inducir el calentamiento y el enfriamiento. El agua que fluye a través de las tuberías absorbe y disipa el calor durante la etapa inicial, luego el proceso avanza a la inversa para enfriar el agua que se puede usar para enfriar un recipiente o espacio habitable.
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 de arranque, utilizando un material no especificado pero menos costoso.
Moya, uno de los autores del artículo de Science, cofundó su startup hace aproximadamente un año y medio. Barocal, con sede en Cambridge, Inglaterra, ha desarrollado un prototipo de bomba de calor basado en cristales de plástico 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 la Astronautics Corporation of America, también han explorado su potencial.
Cui predice que en los próximos 5 a 10 años veremos algunos de los primeros productos comerciales basados en materiales que cambian de temperatura en respuesta a la fuerza y el estrés, pero dice que es probable que los precios tarden más años en competir con los productos de refrigeración estándar. .
