Adiós al aire acondicionado de siempre: el material para que consuma la mitad de energía y enfríe mucho más rápido 3rb1a

Se ha hecho esperar, pero el calor ya ha llegado a España. La mayoría de la población sigue confiando en los aires acondicionados para soportar las altas temperaturas, aunque su alto consumo y su uso de químicos contaminantes supone una amenaza para el bolsillo y el medioambiente.

No todo está perdido: investigadores estadounidenses han logrado un nuevo avance que podría revolucionar los sistemas de aire acondicionado, gracias a una nueva tecnología de refrigeración termoeléctrica el doble de eficiente a nivel energético que los dispositivos actuales.

Un equipo del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins (Maryland, EEUU), ha desarrollado materiales que superan significativamente la capacidad de los sistemas termoeléctricos comerciales existentes, según revelan en un estudio publicado en Nature Communications.

Una unidad de aire acondicionado Freepik Omicrono

La clave de esta nueva tecnología reside en las llamadas estructuras superredes de ingeniería jerárquica controlada (CHESS, por sus siglas en inglés), destinadas a marcar un hito en el desarrollo de alternativas escalables a la refrigeración tradicional basada en compresores.

"Esta demostración real de refrigeración con nuevos materiales termoeléctricos pone de manifiesto las capacidades de las películas finas de nanoingeniería del CHESS", afirmó Rama Venkatasubramanian, investigador principal del proyecto, en un comunicado de prensa.

Eficiencia sin precedentes 1fq1a

Los aires acondicionados convencionales operan mediante un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza un refrigerante químico. El compresor bombea el refrigerante a través de un circuito cerrado, comprimiéndolo hasta convertirlo en gas caliente de alta presión que luego pasa al condensador exterior, liberando calor al ambiente.

El refrigerante líquido pasa después por una válvula de expansión que reduce drásticamente su presión, enfriándolo considerablemente antes de ingresar al evaporador interior. Allí, el refrigerante absorbe calor del aire ambiente al evaporarse nuevamente, mientras un ventilador distribuye el aire enfriado por el espacio.

El revolucionario invento que enfría tu casa sin usar electricidad gracias al funcionamiento del botijo

Este ciclo continuo de compresión, condensación, expansión y evaporación requiere componentes mecánicos como compresores, ventiladores y bombas que consumen energía y generan ruido, además de ser voluminosos.

En cambio, los materiales desarrollados durante una década por los investigadores del APL, enfrían de forma rápida y eficiente utilizando electrones para mover el calor a través de materiales semiconductores especializados, sin necesidad de piezas móviles.

Así, los nuevos sistemas de refrigeración diseñados a partir de la tecnología CHESS serán mucho "silenciosos, compactos, fiables y sostenibles" que los convencionales, ya que no dependerán de refrigerantes químicos que pueden ser perjudiciales para el medioambiente.

Históricamente, los materiales termoeléctricos se limitaban a dispositivos pequeños como las neveras portátiles. Su eficiencia limitada y la incompatibilidad con la fabricación a escala impedían otro tipo de aplicaciones de alto rendimiento.

Hasta ahora. Porque la tecnología de CHESS supera estas limitaciones gracias al diseño de finas películas que abren la posibilidad de una producción masiva.

Para conseguir estas delgadas capas de materiales CHESS, los investigadores utilizaron una técnica de deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD, por sus siglas en inglés), un proceso que se utiliza habitualmente en la producción de luces LED y células fotovoltaicas para los es solares.

Nuevo material

Lo novedoso en este caso es que los ingenieros de la APL sólo necesitaron 0,003 centímetros cúbicos de material por unidad de refrigeración, aproximadamente el tamaño de un grano de arena, lo que facilita la producción masiva y unos precios razonables.

Los resultados obtenidos han demostrado mejoras sustanciales en el rendimiento de refrigeración comparado con el de las tecnologías convencionales. Los materiales CHESS lograron "casi un 100% más de eficiencia que los materiales termoeléctricos tradicionales a temperatura ambiente".

Nathan Fairbanks, Jon Pierce y Rama Venkatasubramanian (de izq. a dcha.) en el laboratorio del APL Johns Hopkins APL / Ed Whitman Omicrono

Esta mejora se tradujo en un incremento del 75% en la eficiencia a nivel de dispositivo y del 70% en sistemas de refrigeración completamente integrados.

Proceso de validación 5g375v

Para comprobar los resultados obtenidos, los científicos de la APL necesitaban un proceso de validación riguroso. Para ello colaboraron con Samsung Electronics, que desarrolló un protocolo exhaustivo a través de un modelado térmico detallado, cuantificando las cargas y los parámetros de resistencia térmica.

Las pruebas reprodujeron en el laboratorio las condiciones de funcionamiento de los dispositivos en un contexto real, con el fin de garantizar que las mejoras fueran reproducibles en entornos comerciales.

Los experimentos se realizaron a una temperatura de 25 ºC y bajo condiciones típicas para la mayoría de aplicaciones de aire acondicionado tanto en edificios residenciales como comerciales.

Cerveza siempre fría sin usar nevera: el genial invento que refrigera sin gastar energía

Gracias a estos resultados verificados, la tecnología podría servir para diversos fines, "de alimentar sistemas de refrigeración a pequeña escala a dar soporte a aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado en grandes edificios", según Venkatasubramanian.

Para demostrar su potencial, el autor principal del estudio compara su versatilidad con la de las baterías de iones de litio. Sus primeras aplicaciones se reducían a pequeños dispositivos, como los reproductores mp3 o los teléfonos móviles, pero ahora ya se utilizan para propulsar coches, barcos y hasta aviones.

Jon Pierce, ingeniero del APL, examinando una de las finas películas que permiten una refrigeración más eficiente Johns Hopkins APL / Craig Weiman Omicrono

Los nuevos materiales, además, "son capaces de convertir diferencias de temperatura, como el calor corporal, en energía utilizable", asegura Jeff Maranchi, director del Área de Programas de Exploración del Área de Misión de Investigación y Desarrollo Exploratorio del APL.

Así, su variedad de posibles aplicaciones se amplía todavía más, y sería aplicable a "la próxima generación de sistemas táctiles, prótesis e interfaces hombre-máquina".

Maranchi está convencido de que el nuevo material "abre la puerta a tecnologías escalables de captación de energía para aplicaciones que van desde los ordenadores a las naves espaciales, capacidades que no eran factibles con dispositivos termoeléctricos más antiguos y voluminosos", concluye.