Zhang et. Alabama.
Las recientes olas de calor han golpeado áreas como el norte de Europa y el noroeste del Pacífico que tradicionalmente han sobrevivido sin mucho aire acondicionado. A medida que las personas de esas regiones se adapten a la nueva realidad, es probable que veamos un cambio en el uso de la electricidad, con aumentos repentinos en la demanda típicos de los lugares más al sur. La tensión que esos cambios imponen a la red puede aumentar el desafío de alejarse rápidamente de los combustibles fósiles.
Los materiales que calientan o enfrían pasivamente un ambiente pueden reducir la demanda de energía al manejar algunas de estas necesidades sin requerir el uso de energía. Algunos de estos materiales reflejan la luz solar entrante para evitar que caliente un espacio, mientras que otros irradian calor activamente hacia el espacio, lo cual es excelente si solo le preocupa el calor. Pero muchas de estas áreas experimentan estaciones y tienen momentos en los que deshacerse del calor perdido también aumentará el uso de energía.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Nankai ha descubierto una manera de tenerlo todo: calentar con aire frío y enfriar una vez que las cosas se calientan, todo sin necesidad de ningún aporte de energía.
sintiendo el calor
Los conceptos básicos de los materiales pasivos son bastante simples. Para el calentamiento, necesita un material que absorba la luz y libere energía en forma de calor. El enfriamiento puede ser tan simple como reflejar esta luz. En una forma más compleja, también es posible incorporar materiales que irradien energía en longitudes de onda infrarrojas que no son absorbidas por la atmósfera, lo que permite que los fotones escapen al espacio.
Por lo general, se enfrenta a la elección de uno u otro: los materiales no pueden cambiar fácilmente de absorber la luz solar a reflejarla. Por lo general, lo mejor que puedes hacer es activar o desactivar una habilidad para que (por ejemplo) un material deje de reflejar la luz del sol bajo ciertas condiciones. Pero incluso algunos de estos enfoques han requerido energía para cambiar de estado.
Para el nuevo material, el equipo de investigación se inspiró en el plegado y desplegado de las hojas de las plantas de mimosa, que cambian de forma según las condiciones ambientales. La idea era usar algo como esto para cambiar entre los estados de calefacción y refrigeración en función de la temperatura ambiente.
Para que esta idea funcionara, utilizaron un polímero que cambiaba de forma en respuesta a la temperatura. El polímero estaba hecho de tres subunidades distintas que podían adoptar diferentes conformaciones cuando se sometían a tensión. Cuando las láminas del polímero se estiraban a altas temperaturas (90 °C), se expandían y contraían a temperaturas típicas del ambiente interior. Esta lámina sensible a la temperatura se fusionó luego con una lámina transparente que no responde a las temperaturas. La lámina bicapa resultante experimentaría tensiones desiguales debido a los cambios de temperatura, lo que provocaría que se enrollara cuando se enfriara y se aplanara cuando se calentara.
Desplegando el enfriamiento
Por sí sola, la hoja sensible a la temperatura no sería especialmente útil, por lo que los investigadores tuvieron que combinarla con otros dos materiales. Una era una tercera capa para la lámina sensible a la temperatura con dos propiedades clave: reflejaba longitudes de onda visibles y emitía fotones en el infrarrojo, lo que le permitía irradiar calor. El segundo era un sustrato oscuro que absorbía la luz visible.
El dispositivo final involucró una capa del sustrato oscuro que, cuando se expone a la luz solar, lo absorberá y lo convertirá en calor. Encima de esto está la lámina de tres capas, que cambia de forma según la temperatura y refleja la luz solar mientras emite en el infrarrojo.
A bajas temperaturas, la lámina sensible a la temperatura se enrolla, dejando al descubierto el sustrato oscuro que absorbe la luz solar, lo que hace que las cosas se calienten. Sin embargo, una vez que suban las temperaturas, la sábana se desenrollará, cubriendo eso. Ahora, en lugar de una superficie absorbente, la superficie se vuelve reflectante, evitando que se caliente el área. Sin embargo, cualquier calor en el área cubierta por este sistema puede irradiarse porque la superficie reflectante emite en el IR.
Los investigadores, creativamente, llaman a estos dos estados los modos de calefacción y refrigeración. Alrededor del 73 por ciento de la luz solar entrante se absorbe cuando está en modo de calefacción. Por el contrario, cambiar al modo de enfriamiento significa que solo se absorbe el 35 por ciento de la luz solar entrante y las emisiones en el infrarrojo medio aumentan en un 67 por ciento.
Si bien la hoja reflectante es delgada y parece frágil, los investigadores probaron una durante más de 500 ciclos de enrollado/desenrollado y sobrevivió sin problemas aparentes. El único problema que vio el equipo fue que la capa reflectante no hacía un contacto sólido con la no reflectante cuando se desenrollaba, lo que limitaba la cantidad de calor que podía transferirse entre las dos. Dado que la capa reflectante es responsable de irradiar este calor, esto limitó la eficiencia general del sistema.
Otra limitación obvia es que este material necesita bastante espacio para funcionar, ya que la superficie reflectante se enrolla en un tubo. Entonces, eso tendría que ser manejado antes de que esto se incorpore a algo así como un material de construcción. Aún así, como un primer paso en un solo material que se ajusta a la calefacción y la refrigeración, el concepto parece genial, y es posible que algunos detalles de implementación puedan resolverse en iteraciones futuras.
PNAS2022. DOI: 10.1073/pnas.2207353119 (Acerca de los DOI).