Estados Unidos. Imagine un dispositivo que pueda sentarse afuera bajo la ardiente luz del sol en un día despejado, y sin usar energía, enfríe las cosas a más de 23 grados Fahrenheit (13 grados Celsius). Casi suena a magia, pero un nuevo sistema diseñado por investigadores del MIT y en Chile puede hacer exactamente eso.
El dispositivo, que no tiene partes móviles, funciona mediante un proceso llamado enfriamiento radiativo. Bloquea la luz solar entrante para evitar que se caliente, y al mismo tiempo irradia eficientemente luz infrarroja, que es esencialmente calor, que pasa directamente al cielo y al espacio, enfriando el dispositivo significativamente por debajo de la temperatura ambiente.
La clave para el funcionamiento de este sistema simple y económico es un tipo especial de aislamiento, hecho de una espuma de polietileno llamada aerogel. Este material liviano, que se ve y se siente un poco como malvavisco, bloquea y refleja los rayos visibles de la luz solar para que no penetren a través de él. Pero es muy transparente a los rayos infrarrojos que transportan calor, lo que les permite pasar libremente hacia afuera.
El nuevo sistema se describió en un artículo en la revista Science Advances, por el estudiante graduado del MIT Arny Leroy, el profesor de ingeniería mecánica y jefe de departamento Evelyn Wang, y otros siete en el MIT y en la Pontificia Universidad Católica de Chile.
Tal sistema podría usarse, por ejemplo, como una forma de evitar que las verduras y las frutas se echen a perder, duplicando potencialmente el tiempo en que el producto podría permanecer fresco, en lugares remotos donde no hay energía confiable para la refrigeración, explica Leroy.
Minimizando la ganancia de calor
El enfriamiento radiativo es simplemente el proceso principal que la mayoría de los objetos calientes usan para enfriarse. Emiten radiación infrarroja de rango medio, que transporta la energía térmica del objeto directamente al espacio porque el aire es muy transparente a la luz infrarroja.
El nuevo dispositivo se basa en un concepto que Wang y otros demostraron hace un año, que también usaba enfriamiento radiativo pero empleaba una barrera física, una tira estrecha de metal, para proteger el dispositivo de la luz solar directa y evitar que se calentara. Ese dispositivo funcionó, pero proporcionó menos de la mitad de la potencia de enfriamiento que el nuevo sistema logra debido a su capa aislante altamente eficiente.
"El gran problema era el aislamiento", explica Leroy. La mayor entrada de calor que impidió que el dispositivo anterior lograra un enfriamiento más profundo fue el calor del aire circundante. "¿Cómo se mantiene fría la superficie mientras se permite que irradie?", Se preguntó. El problema es que casi todos los materiales aislantes también son muy buenos para bloquear la luz infrarroja y, por lo tanto, interferirían con el efecto de enfriamiento radiativo.
Ha habido mucha investigación sobre formas de minimizar la pérdida de calor, dice Wang, quien es profesor de ingeniería mecánica en Gail E. Kendall. Pero este es un tema diferente que ha recibido mucha menos atención: cómo minimizar la ganancia de calor. "Es un problema muy difícil", dice ella.
La solución llegó a través del desarrollo de un nuevo tipo de aerogel. Los aerogeles son materiales livianos que consisten principalmente en aire y proporcionan muy buen aislamiento térmico, con una estructura compuesta de formaciones microscópicas similares a la espuma de algún material. La nueva idea del equipo fue hacer un aerogel de polietileno, el material utilizado en muchas bolsas de plástico. El resultado es un material blando y blanco que es tan liviano que un volumen dado pesa solo 1/50 tanto como el agua.
La clave de su éxito es que si bien bloquea más del 90 por ciento de la luz solar entrante, protegiendo así la superficie debajo del calentamiento, es muy transparente a la luz infrarroja, permitiendo que aproximadamente el 80 por ciento de los rayos de calor pasen libremente hacia afuera. "Estábamos muy emocionados cuando vimos este material", dice Leroy.
El resultado es que puede enfriar dramáticamente una placa, hecha de un material como metal o cerámica, colocada debajo de la capa aislante, que se conoce como un emisor. Esa placa podría enfriar un recipiente conectado a ella, o enfriar el líquido que pasa a través de las bobinas en contacto con ella, para proporcionar refrigeración a los productos, al aire o al agua.
Dispositivo a prueba
Para probar sus predicciones de su efectividad, el equipo, junto con sus colaboradores chilenos, establecieron un dispositivo de prueba de concepto en el desierto de Atacama en Chile, partes de las cuales son la tierra más seca del planeta. Prácticamente no reciben lluvia, sin embargo, al estar justo en el ecuador, reciben luz solar ardiente que podría poner a prueba el dispositivo. El dispositivo logró un enfriamiento de 13 grados Celsius bajo la luz solar total al mediodía solar. Pruebas similares en el campus del MIT en Cambridge, Massachusetts, lograron un enfriamiento de menos de 10 grados.
Según los investigadores, eso es suficiente enfriamiento para marcar una diferencia significativa en la preservación de productos en ubicaciones remotas. Además, podría usarse para proporcionar una etapa de enfriamiento inicial para la refrigeración eléctrica, minimizando así la carga en esos sistemas para permitirles operar de manera más eficiente con menos energía.
Teóricamente, tal dispositivo podría lograr una reducción de temperatura de hasta 50 ° C, dicen los investigadores, por lo que continúan trabajando en formas de optimizar aún más el sistema para que pueda expandirse a otras aplicaciones de refrigeración, como la construcción de aire acondicionado sin la necesidad de cualquier fuente de poder. El enfriamiento radiativo ya se ha integrado con algunos sistemas de aire acondicionado existentes para mejorar su eficiencia.
Sin embargo, ya han logrado una mayor cantidad de enfriamiento bajo la luz solar directa que cualquier otro sistema pasivo y radiativo que no sea el que utiliza un sistema de vacío para el aislamiento, que es muy efectivo pero también pesado, costoso y frágil.
Este enfoque también podría ser un complemento de bajo costo para cualquier otro tipo de sistema de enfriamiento, proporcionando enfriamiento adicional para complementar un sistema más convencional. "Cualquiera que sea el sistema que tenga", dice Leroy, "póngale el aerogel y obtendrá un rendimiento mucho mejor".
Peter Bermel, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue, que no participó en este trabajo, dice: "El principal beneficio potencial del aerogel de polietileno presentado aquí puede ser su relativa compacidad y simplicidad, en comparación con una serie de anteriores experimentos".
Agrega: "Podría ser útil comparar y contrastar cuantitativamente este método con algunas alternativas, como las películas de polietileno y el bloqueo selectivo de ángulo en términos de rendimiento (por ejemplo, cambio de temperatura), costo y peso por unidad de área. … El beneficio práctico podría ser significativo si se realizara la comparación y la compensación costo / beneficio favoreciera significativamente estos aerogeles”.
El trabajo fue apoyado en parte por una subvención del Fondo Global de Semillas de Chile de MIT International Science and Technology Initiative (MISTI), y por el Departamento de Energía de EE. UU. A través del Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido (S3TEC).
Fuente: MIT.
