Se requerirán formas energéticamente eficientes de enfriar edificios y vehículos en un clima cambiante. Investigadores de la Universidad de Linköping han demostrado ahora que el ajuste eléctrico del enfriamiento radiativo pasivo se puede utilizar para controlar las temperaturas de un material a temperatura ambiente y presión del aire.
« Para enfriar edificios, por ejemplo, hoy en día se usa principalmente el aire acondicionado tradicional, que requiere grandes cantidades de energía y utiliza refrigerantes peligrosos para el medio ambiente. Con la ayuda del enfriamiento radiativo pasivo, el frío del espacio exterior podría usarse para complementar los aires acondicionados normales y reducir consumo de energía », dice Magnus Jonsson, profesor y líder del grupo de Fotónica Orgánica y Nanoóptica de la Universidad de Linköping.
El enfriamiento radiativo pasivo utiliza esa energía térmica que puede salir de un objeto en forma de radiación infrarroja. Todos los objetos emiten calor como luz infrarroja : árboles, edificios, agua e incluso humanos.
Diferentes tipos de materiales emiten diferentes cantidades de calor infrarrojo. Esto depende de la capacidad del material para absorber la radiación infrarroja : cuanto mejor absorba el calor infrarrojo, mejor será el material para emitir el calor. Por ejemplo, el papel blanco común para escribir es bueno para absorber el calor infrarrojo y, en consecuencia, para emitirlo. Por el contrario, los metales son bastante malos, ya que la mayor parte del calor se refleja.
Debido a la capacidad de la atmósfera para transmitir luz en el rango de longitud de onda infrarroja, el frío del espacio exterior, donde la temperatura es de unos -270 grados centígrados, se puede utilizar para eliminar el calor de los objetos en la Tierra. Como resultado de la diferencia de temperatura, puede haber un transporte neto hacia afuera. Por lo tanto, un objeto puede alcanzar una temperatura más baja que la temperatura ambiente con la ayuda del enfriamiento radiativo pasivo.
Este efecto se ha utilizado en la historia, por ejemplo, para hacer hielo en climas más cálidos. Sin embargo, en los últimos años, la investigación en ciencia de materiales se ha interesado cada vez más por el fenómeno, y ha desarrollado nuevos materiales con una alta capacidad para emitir calor infrarrojo sin ser calentado por los rayos del sol.
Investigadores de la Universidad de Linköping ahora han demostrado que la temperatura de un dispositivo puede regularse ajustando eléctricamente la medida en que emite calor a través del enfriamiento radiativo pasivo. El concepto utiliza un polímero conductor para ajustar electroquímicamente la emisividad del dispositivo.
Los resultados han sido publicados en la revista Cell Reports Physical Science.
“Puedes compararlo con un termostato. Actualmente, podemos ajustar la temperatura en 0,25 grados centígrados. Puede que no parezca mucho, pero el punto es que hemos demostrado que es posible realizar este ajuste a temperatura ambiente y normal. presión », dice Debashree Banerjee, ingeniera principal de investigación de la Universidad de Linköping y autora principal del estudio.
Los investigadores creen que, ahora que han demostrado que es posible, existe la posibilidad de seguir desarrollando tanto materiales como dispositivos. A largo plazo, es posible contemplar sistemas que se puedan colocar en un techo, como una celda solar, controlando así la radiación térmica infrarroja de la casa y enfriando cuando sea necesario. El método requiere un consumo de energía extremadamente bajo y causa una contaminación mínima. Otras áreas de aplicación también pueden incluir ropa y papel tapiz ajustables a los flujos térmicos y mejorar el confort térmico en interiores con un consumo de energía reducido.
En otro estudio publicado en Advanced Science, el mismo grupo de investigación ha desarrollado un dispositivo termoeléctrico que funciona con el mismo principio de refrigeración por radiación, complementado también con calefacción solar. Se basa en generar una diferencia de temperatura entre dos materiales celulósicos, uno de los cuales contiene negro de humo para absorber también el calor del sol. Los materiales están conectados a un material que convierte la diferencia de temperatura en un potencial eléctrico. Exponer el dispositivo al cielo indujo un voltaje eléctrico de 60 mV ya con una radiación solar moderada, pero el concepto funciona incluso de noche ya que los dos materiales a base de madera están diseñados para tener diferentes capacidades para irradiar calor.
« Usamos no solo el sol, sino también el espacio exterior como fuente de energía », dice Mingna Liao, estudiante de doctorado en el grupo y autora principal del artículo en Advanced Science.
Para realizar mediciones controladas para ambos estudios, los investigadores construyeron un simulador de cielo. De esta forma, las medidas no se vieron afectadas por cambios en el entorno de la misma forma que lo estarían al aire libre. El simulador de cielo consiste en un tubo con lados revestidos de aluminio que reflejan la radiación. Un recipiente colocado en el fondo contiene un material que absorbe la radiación de calor y se enfría con nitrógeno líquido para simular el frío del espacio exterior.
La investigación ha sido financiada por la Fundación Knut y Alice Wallenberg, el Centro de Ciencias de la Madera Wallenberg, la Agencia Sueca de Investigación de Defensa (FOI), el Consejo Sueco de Investigación y el área de investigación estratégica para Materiales Funcionales Avanzados (AFM) en la Universidad de Linköping.