Por Matt Ferrell y Cassiano Ferro Moraes. 10 de enero de 2023
(En inglés)
Ya sea para regular la temperatura de los alimentos, los medicamentos o las personas, siempre necesitaremos algún tipo de tecnología de enfriamiento para sobrevivir. Tendemos a recurrir al aire acondicionado para resolver estos problemas, pero eso nos tiene atrapados en un circuito de retroalimentación positiva que no es del todo positivo. Los días calurosos son cada vez más calurosos y la demanda de refrigeración está aumentando. ¿Cómo rompemos el ciclo? Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts tiene una idea: apilar las mismas técnicas de enfriamiento que hemos estado usando durante miles de años aprovechando el poder del aerogel. Sin energía, sin emisiones… ¿no hay problema?
(En castellano)
Antes de entrar en la propuesta de aerogel del MIT, es importante discutir por qué es necesario frenar nuestra adicción a la CA. Es porque tal como van las cosas, probablemente no deberíamos mantener la calma sobre cómo nos mantenemos a nosotros mismos. Según Clean Cooling Collaborative, el 20 % de la electricidad mundial se gasta en el aire acondicionado y los ventiladores eléctricos y, a medida que las temperaturas se intensifican, el uso aumenta. A este ritmo, se prevé que la cantidad global de unidades de aire acondicionado se triplique para 2050. La Agencia Internacional de Energía informa que el año pasado, en particular, la demanda de refrigeración representó alrededor del 16 % de toda la energía utilizada en los edificios en todo el mundo: alrededor de 2.000 TWh.
El problema tampoco es solo una cuestión de uso de energía. El aire acondicionado es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de CO2. Las emisiones indirectas de CO2 de la refrigeración de edificios se duplicaron con creces entre 1990 y 2021, hasta aproximadamente 1 Gt. Si eso no fuera suficientemente malo, la CA también libera refrigerantes de hidrofluorocarbono (HFC), que contaminan aún más la atmósfera. Y son miles de veces más potentes como gas de efecto invernadero que el CO2.
Dicho esto, el aire acondicionado no es nuestra única opción. La gente ha estado usando métodos naturales para permanecer cómodos en el interior durante miles de años. Podemos verlos en edificios históricos de todo el mundo, desde las torres «receptoras de viento» en el Medio Oriente y el norte de África hasta los patios en China y España, y los «pórticos para dormir» en el sur de Estados Unidos. Estas estructuras no son solo para mostrar. Son ejemplos de refrigeración pasiva: elementos arquitectónicos que controlan tanto la pérdida como la ganancia de calor.
Así pues, gestionar la temperatura de un edificio sin consumir electricidad ni producir emisiones de carbono no es nada nuevo. Pero cuando se trata de alternativas modernas al aire acondicionado, el sistema de enfriamiento pasivo presentado por investigadores del MIT en septiembre es único por su enfoque triple. El diseño combina «refrigeración aislada con evaporación y radiación» en un paquete conveniente llamado ICER. Suena un poco como un fabricante de bebidas congeladas, pero es más como un panel solar que usa los rayos del sol para producir enfriamiento en lugar de energía.
Analicemos lo que significa todo eso. Para empezar, es importante recordar que el calor es literalmente nuestro amigo del buen tiempo. Se va cuando lo necesitamos en invierno y se entromete cuando queremos evitarlo en verano. La buena noticia: aunque no podemos cambiar las formas de una persona poco confiable, podemos sortear la forma en que se comporta el calor con el poder de la termodinámica.
Así es como ICER hace eso. Primero, el «IC» es para enfriamiento aislado. En términos generales, el aislamiento ralentiza el flujo de calor de las áreas más cálidas a las más frías. En cuanto a «E», el enfriamiento por evaporación es el proceso por el cual el agua reduce la temperatura de una superficie cuando absorbe suficiente calor para cambiar de líquido a gas, lo que experimentamos cada vez que sudamos.
Por último, “R”: el enfriamiento radiativo es la pérdida de calor a través de la radiación térmica, como cuando la Tierra irradia calor al espacio. Esto es lo que causa el frío que sentimos en las noches sin nubes, y también es la forma en que la gente de Irán e India lograron hacer hielo mucho antes de que pudiéramos meter una bandeja en el congelador.
En el contexto de reducir nuestra dependencia del aire acondicionado, existen desarrollos prometedores sobre el uso del enfriamiento radiativo del cielo para enviar calor al espacio de manera efectiva. Hablé sobre cómo se está implementando el enfriamiento radiativo en un video anterior . Es genial. Los investigadores del MIT detrás de ICER, sin embargo, notan que el enfriamiento radiativo de alto rendimiento generalmente se limita a condiciones climáticas específicas.
Entonces, ahora que conocemos los principios sobre los que opera ICER, ¿cómo funciona? Bueno, un aspecto importante de eso es lo que la NASA llama «uno de los mejores materiales de aislamiento disponibles».
Puedes pensar en ello como un sándwich abierto. En la parte superior hay una capa de aerogel. El aerogel es básicamente lo que obtienes cuando colocas un molde de gelatina en un deshidratador (suponiendo que te guste el sabor del plástico). Normalmente, hacer eso solo reduciría tu postre al polvo con el que comenzaste. La magia del aerogel es que conserva su forma incluso después de que su forma de gel inicial pierde toda su humedad. El resultado es una porción sólida pero extremadamente liviana de lo que la NASA llama “uno de los mejores materiales de aislamiento disponibles”. 1
Esto se debe a que el aerogel es como una esponja, pero con poros demasiado pequeños para que los vea el ojo humano. Constituyen el 95% del volumen del aerogel, lo que le confiere una densidad muy baja. Estos poros son más pequeños que el cabello humano; aproximadamente del mismo tamaño que las moléculas de aire. El aire tiene una baja conductividad térmica, lo que significa que es difícil que el calor lo atraviese. Entonces, como resultado de todos estos factores, el aire no tiene mucho espacio para fluir libremente a través del aerogel, lo que lo hace muy efectivo en el aislamiento térmico, lo suficientemente efectivo como para usarlo mientras se explora el frío vacío del espacio. Hablando de espacio, la radiación infrarroja atraviesa el aerogel. Es por eso que la capa superior de ICER puede aislar y permitir el enfriamiento radiativo.
El hidrogel es la siguiente capa del sándwich ICER. Como su nombre lo indica, es la esponja húmeda de la esponja seca del aerogel: llena de agua en lugar de aire. Esta agua es el recurso singular que consume ICER. A medida que se evapora con el tiempo, se eleva más allá del aerogel y sale al aire libre, llevándose consigo el calor.
Cuando el hidrogel finalmente se seca, recargar el ICER es simple: todo lo que necesita es que alguien «simplemente agregue agua». Los investigadores estiman que la configuración puede continuar funcionando sin supervisión durante más de 10 días en la mayoría de los casos, o incluso más de un mes en la costa oeste de EE. UU. En regiones calurosas y áridas como Las Vegas y Phoenix, un solo “ciclo de carga” puede durar alrededor de cuatro días.
Debajo del hidrogel se encuentra la tercera y última capa de ICER, que es su base similar a un espejo. Refleja la luz solar a través de las capas superiores, evitando que los materiales del dispositivo se calienten. El aerogel de ICER también es altamente reflectante, lo que brinda aún más resistencia contra el calor del sol.
Hasta ahora, ICER solo se ha probado en una pequeña escala de 10 cm de ancho, en la parte superior del techo de un edificio del MIT. Sin embargo, los resultados fueron significativos. Los investigadores informaron que incluso en condiciones climáticas adversas, las capacidades de ICER representaron una mejora del 300 % con respecto a un enfriador radiativo. Esto equivalía a que ICER alcanzara los 9,3 C por debajo de la temperatura ambiente bajo la luz solar directa.
Más allá de su potencial como sistema de enfriamiento independiente, ICER también podría usarse para actualizar los acondicionadores de aire existentes para mejorar su eficiencia. Sus inventores hacen referencia a un estudio de la Universidad de Stanford de 2017 que utilizó paneles de enfriamiento radiativo para reducir la temperatura del agua corriente. Usando una simulación, los investigadores de Stanford estimaron que estos paneles podrían reducir el consumo de electricidad del sistema de CA de un edificio de oficinas en un 21 %. El equipo del MIT predice que ICER podría ahorrar aún más energía cuando se integra de manera similar. Esto significa que es posible que ICER no necesite necesariamente reemplazar un acondicionador de aire, lo que nos permite trabajar con lo que tenemos. Lo que significa que esto podría ser una solución aditiva en lugar de un reemplazo.
ICER también podría tener un gran impacto en la forma en que almacenamos los alimentos. Una posible aplicación es la conservación de cultivos de frutas y verduras en granjas fuera de la red, sin necesidad de energía. Los investigadores calcularon que enfriar los envases de alimentos con ICER podría prolongar la vida útil de los productos en aproximadamente un 40 % en áreas húmedas y más de un 200 % en las más secas. Especialmente en regiones donde los sistemas de enfriamiento tradicionales están restringidos por la falta de agua o energía, ICER teóricamente podría prolongar la vida útil de los alimentos cuando, de lo contrario, se echarían a perder. Sería como tener un refrigerador que se enfría solo.
Pero no tires tus bolsas de hielo todavía. Desafortunadamente, la fabricación de aerogel de polietileno, o PEA, es más complicada que meter gelatina tambaleante en una secadora. Es una operación delicada que requiere eliminar los solventes lentamente sin comprometer la estructura del gel. Esto se logra a través del secado en punto crítico (CPD), que utiliza equipos especiales costosos. Y como señalan los investigadores, el proceso de CPD aún no es escalable. Para resumir, producir el aerogel del que depende el ICER no es barato.
Pero todavía hay espacio para el optimismo. El componente de aerogel de ICER es el único que no está disponible gratuitamente en este momento, pero eso podría cambiar a medida que el aerogel se vuelve más popular como material para tecnología como supercondensadores y baterías. Mientras tanto, el equipo del MIT está buscando una forma viable de reducir los costos. Esto podría parecer el uso de secado por congelación en lugar de CPD durante la producción o el intercambio de PEA con un tipo diferente de aislamiento por completo.
De hecho, ya sabemos que esto es factible. Investigadores de la Universidad Forestal de Nanjing en China y la Universidad de Artes y Ciencias Aplicadas de Alemania también diseñaron un enfriador pasivo basado en aerogel que combina enfriamiento radiativo y aislamiento térmico. Al igual que ICER, refleja la luz solar, libera el calor absorbido y proporciona aislamiento térmico sin electricidad. La diferencia es que su aerogel está compuesto de nanocristales de celulosa y resulta que se fabrica mediante liofilización en un proceso que se puede ampliar.
¿Cómo se compara el aerogel de nanocristales de celulosa, o CNC, con el PEA? Bueno, espero que toda esta charla sobre mermelada y sándwiches no te haya dado demasiada hambre, porque aquí hay otra analogía con la comida. Los malvaviscos se parecen mucho al aerogel: están hechos de gelatina y están llenos de aire. Cuando los malvaviscos se cocinan en un microondas, se inflan. PEA se infla de manera similar a como se hace. En ambos casos, terminas con un sólido grande y esponjoso lleno de aire atrapado, pero no puedes hacer mucho para cambiar su forma.
CNC es otra historia. Es más como un cono de helado suave, que giras con cuidado para formar su icónico aspecto retorcido. Al producir CNC, los científicos tienen un nivel similar de control sobre su estructura, ya que dirigen la unión de los compuestos que la componen. Al igual que otros tipos de aerogel, el CNC tiene una baja conductividad térmica. Sin embargo, las redes de productos químicos a base de gel tienden a ser frágiles y los nanocristales de celulosa son más robustos. El CNC creado para este estudio en particular también es blanco y altamente reflectante. Tampoco está de más que la celulosa sea el biopolímero más abundante en la tierra.
Pero, ¿funcionaba tan bien el aerogel de celulosa? Resulta que los resultados publicados por el equipo de investigación conjunto en mayo son muy similares a los de ICER. Para refrescar su memoria, el enfriamiento de ICER fue lo suficientemente potente como para alcanzar 9,3 C por debajo de la temperatura ambiente bajo la luz solar directa. El enfriador basado en CNC logró una caída de 9,2 C bajo la luz solar directa y aproximadamente 7,4 C en lo que los investigadores llaman clima “caliente, húmedo e inconstante”. Y utilizando modelos, los investigadores estimaron que su enfriador CNC podría reducir el consumo de energía en edificios con sede en China en aproximadamente un 35%.
El aerogel es claramente un recurso valioso en el ámbito del aislamiento térmico. Pero, ¿cómo se compara con los materiales aislantes existentes en el mundo real? En un estudio publicado en septiembre, un grupo de investigadores de universidades de China y Australia pusieron a prueba su propia fórmula. Llamado aerogel de enfriamiento anisotrópico, o ACA, se produce con secado por congelación como CNC. Sin embargo, lo que hace que el desarrollo de ACA sea diferente es que está inspirado en la impresión 3D. Los investigadores construyeron sus paneles de aerogel bloque por bloque de la misma manera que una impresora 3D construye un objeto en capas. Esto les proporcionó suficiente precisión para mantener las dimensiones de los poros del gel «alineadas» y consistentes en sus dimensiones.
En cuanto a lo que significa «anisotrópico» y por qué es importante, la mayoría de los materiales son isotrópicos o anisotrópicos. Si algo es isotrópico, sus propiedades son uniformes e idénticas en todo momento, independientemente de la dirección en que se mida: agradable y predecible, como el vidrio y los metales a granel. De lo contrario, un material es anisotrópico, lo que significa que sus propiedades no son iguales o idénticas. La madera es un ejemplo clásico. Es más fuerte a lo largo de sus líneas o “grano” que en su contra. Según los investigadores, los aerogeles anisotrópicos con poros altamente alineados actúan como mejores aislantes que los isotrópicos, por lo que vale la pena encontrar formas de producirlos.
Y la ACA cumplió. Cuando el equipo colocó el gel en una placa caliente calentada a 90 C, su superficie superior finalmente se mantuvo estable a una temperatura de aproximadamente 41 C. En comparación, dos productos de aislamiento existentes, la espuma EPS y el aerogel de sílice, se calentaron 6 y 10 grados C más que la ACA, respectivamente.
En otra serie de pruebas, los investigadores midieron la capacidad de aislamiento térmico del ACA en un día caluroso y húmedo en Hong Kong. Bajo la luz solar directa, el panel ACA mantuvo una temperatura interior más baja que otros cuatro materiales aislantes: ladrillo, vidrio, espuma EPS y aerogel de sílice. El ACA también demostró enfriamiento pasivo con una caída de 6,1 C por debajo de la temperatura ambiente.
Estos experimentos ofrecen una mirada emocionante a la capacidad del aerogel para el enfriamiento pasivo. Aun así, pasará algún tiempo antes de que la producción en masa de enfriadores de aerogel sea práctica. En la mayoría de los casos, los paneles de aerogel pueden ser hasta 10 veces más caros que los materiales de aislamiento tradicionales, ya sea que estén compuestos de sílice o celulosa. Además del costo, la mayoría de las pruebas solo se han realizado a escala de laboratorio.
Eso no quiere decir que el aerogel esté a años luz de existir en nuestros hogares y espacios de trabajo. Sus propiedades aislantes también son útiles en otra parte esencial de la arquitectura: las ventanas. Las ventanas mal aisladas pueden ser más derrochadoras de lo que piensa. Según el MIT, cada invierno, las ventanas de los EE. UU. pierden suficiente energía para abastecer a más de 50 millones de hogares.
Para abordar este problema, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía (ARPA-E) del gobierno de EE. UU. comenzó a financiar la producción de materiales que mejoran la eficiencia energética de las ventanas en un programa lanzado en El programa Efficient Lucid Designs o SHIELD está desarrollando productos para aplicar a los paneles de las ventanas y nuevos diseños de paneles de ventanas para reacondicionamiento. De estos 14, cuatro proyectos involucran aerogel. Y en 2019, el MIT anunció su éxito en la fabricación de una forma transparente de aerogel de sílice. El equipo de investigación estimó que una ventana de doble panel con su espacio de aire reemplazado por su panel de aerogel sería un 40% más aislante que las tradicionales.
El aislamiento a base de aerogel ya salió del laboratorio. En este momento, hay un par de empresas que venden ventanas que incorporan aerogel en su construcción o acristalamientos a base de aerogel que se pueden aplicar a ventanas y techos de vidrio. Hace mucho que no nos preguntamos si es posible el enfriamiento pasivo con aerogel. El obstáculo en cuestión es eliminar las barreras para el uso generalizado.
20/04/2023
