Un nanomaterial español logra enfriar superficies hasta 12,9 °C sin consumir electricidad

Investigadores del CSIC desarrollan una estructura de polímero que refleja la radiación solar y expulsa el calor hacia el espacio, una tecnología que podría reducir el uso del aire acondicionado en edificios, vehículos y dispositivos electrónicos

Un equipo español de investigadores ha desarrollado un nanomaterial capaz de reducir considerablemente la temperatura de una superficie expuesta al sol sin utilizar electricidad, compresores, líquidos refrigerantes ni componentes móviles.

La tecnología, creada en el Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC, se basa en un fenómeno denominado refrigeración radiativa pasiva diurna. En las pruebas realizadas al aire libre, la superficie protegida con el nuevo material llegó a mantenerse hasta 12,9 °C más fría que una muestra de referencia sin el tratamiento.

El avance podría aplicarse en tejados, fachadas, vehículos, sistemas electrónicos y equipos que actualmente necesitan consumir energía para combatir el calor.

La investigación ha sido desarrollada por el grupo Functional Nanoscale Devices for Energy, conocido como FINDER, y sus resultados se han publicado en la revista científica Nanophotonics.

Enfriar sin enchufes ni aire acondicionado

Todos los objetos emiten energía en forma de radiación infrarroja. Cuanto mayor es su temperatura, más energía térmica liberan.

Sin embargo, una parte del calor emitido desde la superficie terrestre queda atrapada o es absorbida por los gases de la atmósfera. Existe una excepción especialmente interesante: una franja del espectro infrarrojo situada aproximadamente entre los 8 y los 13 micrómetros.

Esta región se conoce como ventana atmosférica porque la atmósfera es relativamente transparente a esas longitudes de onda. La energía emitida dentro de esa franja puede atravesar el aire y escapar hacia las capas superiores de la atmósfera y el espacio exterior.

La refrigeración radiativa pasiva aprovecha precisamente esta propiedad. Un material diseñado para emitir intensamente en esa ventana puede perder calor sin necesitar una fuente externa de energía.

Durante el día aparece una dificultad adicional. La superficie también recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol. Si absorbe demasiada radiación solar, el calentamiento puede superar ampliamente el enfriamiento conseguido mediante la emisión infrarroja.

Por ello, un refrigerador pasivo eficaz debe combinar dos características:

• Reflejar la mayor cantidad posible de luz solar.
• Emitir eficientemente su propio calor dentro de la ventana atmosférica.

El nanomaterial desarrollado por el CSIC ha sido diseñado para realizar ambas funciones simultáneamente.

Una red tridimensional de PVDF

Los científicos emplearon fluoruro de polivinilideno, un polímero conocido habitualmente por sus siglas PVDF.

No se trata de un material completamente nuevo. El PVDF se utiliza en sensores, recubrimientos, componentes electrónicos y otras aplicaciones industriales debido a sus propiedades químicas, eléctricas y mecánicas.

También presenta varias características interesantes para la refrigeración pasiva. Emite con eficacia en el infrarrojo, resiste la radiación ultravioleta, soporta la exposición a la intemperie y repele el agua.

Esta última propiedad puede proporcionar un cierto efecto autolimpiante, ya que las gotas tienden a arrastrar parte de la suciedad acumulada sobre la superficie. Mantener limpio el material es importante porque el polvo y otros residuos pueden modificar su capacidad para reflejar la luz solar.

La innovación española no reside únicamente en haber elegido este polímero, sino en la estructura creada a escala nanométrica.

El equipo introdujo el PVDF dentro de plantillas nanoporosas fabricadas con óxido de aluminio anodizado. De este modo produjo redes tridimensionales con una geometría interna controlada.

Las dimensiones y la disposición de estas estructuras modifican la forma en que el material interactúa con la radiación solar e infrarroja. Mediante el diseño de la nanoestructura, los investigadores pudieron mejorar sus propiedades ópticas sin depender de complejos sistemas mecánicos.

Refleja el Sol y emite el calor

La versión optimizada del material consiguió reflejar de media el 82,4 % de la radiación solar recibida.

Al mismo tiempo, alcanzó una emisividad del 96,7 % dentro de la ventana atmosférica situada entre los 8 y los 13 micrómetros. La emisividad expresa la capacidad de una superficie para liberar energía en forma de radiación térmica.

La combinación permite que el material absorba relativamente poca energía solar y expulse una elevada proporción de su propio calor.

Los cálculos realizados por los científicos señalan una potencia de refrigeración de hasta 182,3 vatios por metro cuadrado bajo una irradiancia solar de 1.000 vatios por metro cuadrado.

Esta cifra no significa que el material produzca electricidad ni que funcione como un equipo de aire acondicionado de 182 vatios. Indica la cantidad estimada de calor que podría disipar cada metro cuadrado en determinadas condiciones.

Su rendimiento real depende de numerosos factores, entre ellos la intensidad solar, la temperatura, la humedad atmosférica, el viento, la orientación, el aislamiento y el estado de la superficie.

Pruebas bajo el sol de Madrid

El equipo probó la tecnología al aire libre en la azotea de su centro de investigación en Tres Cantos, Madrid.

Los ensayos se realizaron durante el verano, con una irradiancia solar máxima de 962 vatios por metro cuadrado. Antes de las mediciones, el material recibió un tratamiento con luz ultravioleta que aumentó su blancura y mejoró la reflexión de la radiación solar.

Durante los días más calurosos, secos y despejados, la superficie tratada llegó a registrar una temperatura 12,9 °C inferior a la de una muestra de referencia que no incorporaba el nanomaterial.

Este dato necesita una aclaración importante. No significa necesariamente que el sistema lograra enfriar la superficie hasta 12,9 °C por debajo de la temperatura del aire.

La cifra corresponde a la diferencia máxima observada frente a otra superficie sin el tratamiento. Para evaluar una futura aplicación será necesario conocer tanto la diferencia respecto a un material convencional como su capacidad para mantenerse por debajo de la temperatura ambiente.

La refrigeración radiativa suele funcionar mejor con cielos despejados y aire relativamente seco. Las nubes y una elevada humedad pueden absorber una mayor parte de la radiación infrarroja, reduciendo la cantidad de calor que consigue escapar.

Posibles aplicaciones en edificios

Los tejados y las fachadas constituyen una de las aplicaciones más evidentes.

Los edificios acumulan durante el día grandes cantidades de energía solar. Parte de ese calor atraviesa posteriormente la cubierta y las paredes, obligando a los sistemas de climatización a trabajar durante más tiempo.

Un recubrimiento que refleje la luz solar y expulse calor podría reducir la temperatura exterior del inmueble y disminuir la demanda energética del aire acondicionado.

No sustituiría completamente a la climatización, especialmente durante episodios de calor extremo o en edificios con un aislamiento deficiente. Sin embargo, podría reducir la carga térmica y complementar otras medidas como cubiertas ventiladas, aislamiento, sombras, vegetación y ventanas eficientes.

La ventaja de un sistema pasivo es que continúa actuando mientras está expuesto al cielo, sin consumir electricidad ni necesitar mantenimiento mecánico.

Vehículos y dispositivos electrónicos

La tecnología también podría emplearse sobre vehículos estacionados al sol.

Un automóvil cerrado puede alcanzar rápidamente temperaturas muy superiores a las del ambiente. Aplicar materiales reflectantes y emisores sobre determinadas partes de la carrocería podría ayudar a limitar esa acumulación de calor y reducir el esfuerzo inicial del aire acondicionado.

Otra posibilidad se encuentra en los dispositivos electrónicos. Procesadores, sistemas de telecomunicaciones, sensores y baterías producen calor durante su funcionamiento.

En aplicaciones exteriores, una superficie de refrigeración pasiva podría complementar los disipadores convencionales y reducir la energía dedicada a ventiladores o sistemas activos.

También se han planteado usos en instalaciones industriales, depósitos, equipamiento agrícola, prendas técnicas o sistemas personales de refrigeración.

Cada aplicación requerirá adaptar el material y comprobar aspectos como su resistencia mecánica, flexibilidad, adherencia, envejecimiento, seguridad y coste.

Una respuesta al creciente consumo energético

La refrigeración representa una parte cada vez mayor de la demanda mundial de electricidad. El aumento de las temperaturas, la urbanización y la mejora del acceso al aire acondicionado harán que este consumo continúe creciendo durante las próximas décadas.

El problema no se limita al coste económico. Una mayor demanda eléctrica obliga a ampliar las redes y la capacidad de generación, además de incrementar las emisiones cuando la energía procede de combustibles fósiles.

Los equipos de climatización también expulsan calor al exterior, lo que puede contribuir a elevar la temperatura de las ciudades durante los periodos de mayor uso.

Las tecnologías de refrigeración pasiva no resolverán por sí solas este desafío, pero pueden formar parte de una estrategia más amplia para reducir la cantidad de energía necesaria.

Su mayor interés se encuentra precisamente en que no necesitan transformar electricidad en frío. Utilizan las propiedades ópticas del material y la posibilidad natural de emitir calor hacia el cielo.

El reto de pasar del laboratorio al mercado

Los investigadores señalan que el método de fabricación es relativamente económico y compatible con procesos industriales existentes. Esto aumenta las posibilidades de trasladar el descubrimiento a aplicaciones comerciales.

No obstante, todavía quedan cuestiones importantes por resolver.

Será necesario fabricar el material en superficies mucho mayores, mantener un control preciso de la nanoestructura y comprobar que las prestaciones obtenidas en pequeñas muestras se conservan a escala industrial.

También deberán analizarse su comportamiento después de años de exposición al Sol, la lluvia, el polvo, el granizo, la contaminación y los cambios de temperatura.

Otros aspectos esenciales serán el precio por metro cuadrado, la facilidad de instalación, la posibilidad de reparar o sustituir el recubrimiento y el impacto ambiental de su fabricación y eliminación.

Además, la reflectancia solar del 82,4 % es elevada, pero otros materiales experimentales de refrigeración radiativa han conseguido valores superiores. La verdadera ventaja de la propuesta española podría encontrarse en la combinación de rendimiento, resistencia, facilidad de fabricación y propiedades autolimpiantes.

Una prometedora tecnología española

El trabajo del Instituto de Micro y Nanotecnología demuestra cómo la ingeniería a escala nanométrica puede modificar el comportamiento térmico de un material conocido.

La red tridimensional de PVDF no crea frío ni desafía las leyes de la termodinámica. Su función consiste en reducir la energía solar absorbida y facilitar que el calor acumulado escape en forma de radiación infrarroja.

Los resultados obtenidos en la azotea de Tres Cantos son prometedores: una diferencia máxima de 12,9 °C respecto a una superficie sin el tratamiento y una capacidad estimada de disipación de 182,3 vatios por metro cuadrado.

Todavía no estamos ante un sustituto inmediato del aire acondicionado, pero sí ante una tecnología que podría ayudar a utilizarlo menos.

Si el material puede producirse de forma económica, duradera y a gran escala, los tejados y fachadas del futuro podrían participar activamente en la refrigeración de los edificios sin gastar un solo vatio de electricidad.

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Metadescripción

Investigadores del CSIC desarrollan un nanomaterial que enfría superficies hasta 12,9 °C frente a una muestra sin tratar, sin consumir electricidad.

Palabras clave

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Texto para redes sociales

Investigadores del CSIC han creado un nanomaterial capaz de enfriar superficies sin consumir electricidad. En pruebas realizadas bajo el sol de Madrid, logró una diferencia de hasta 12,9 °C frente a una muestra sin tratar.

Fuentes

• Estudio científico publicado en Nanophotonics | Información del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC
• Artículo de referencia publicado por Euronews