Investigadores del los institutos ICN2 en Barcelona e ICMM en Madrid han desarrollado un nuevo material con microesferas de sílice capaz de enfriar a otro emitiendo radiación infrarroja, sin ningún consumo de energía ni emisiones de gases. Los resultados se podrán usar en dispositivos en los que un aumento de temperatura tiene efectos drásticos sobre su rendimiento, como paneles solares o sistemas informáticos.
La refrigeración es un asunto central en las sociedades actuales. Ya sea en un supermercado o en un ordenador personal, la regulación de la temperatura es necesaria para mantener cómodas a las personas o a las máquinas funcionando fiablemente.
Los sistemas de refrigeración dan cuenta del 15% del consumo global de energía y son responsables del 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Podría decirse que el remedio es peor que la enfermedad, ya que los gases de efecto invernadero provocan calentamiento global, lo que requiere aún más refrigeración.
Una forma de escapar de este bucle ha sido desarrollada por parte de investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC).
Miembros del Grupo ICN2 de Nanoestructuras Fonónicas y Fotónicas, liderado por la profesora ICREA Clivia M. Sotomayor Torres, en colaboración con el Grupo ICMM de Cristales Fotónicos han descrito un nuevo material bidimensional capaz de eliminar calor, enfriando la superficie en la que se coloca sin ningún consumo de energía ni emisiones de gases de ningún tipo.
El trabajo ha sido publicado en Small, con Juliana Jaramillo-Fernández, investigadora postdoctoral Marie Slodowska-Curie COFUND en el ICN2, como primera autora.
El material se inspira en el eficiente mecanismo de regulación de temperatura de la Tierra, llamado enfriamiento radiativo. Aunque la Tierra se calienta por el Sol, también emite radiación infrarroja al espacio exterior, ya que este tipo de radiación no es capturada por la atmósfera.
Los granos de arena de los desiertos se encuentran entre los principales responsables de este fenómeno, que mantiene estable la temperatura media de nuestro planeta siempre y cuando no consideremos la acción humana.
El material propuesto se vale del mismo principio. Los investigadores han demostrado que es capaz de enfriar en hasta 14 ºC una oblea de silicio bajo la luz directa del Sol, mientras que un vidrio común solo baja la temperatura 5 ºC.
Matriz autoensamblada de esferas
El material está formado por una matriz autoensamblada de esferas de sílice de 8 µm de diámetro, como granos de arena un millón de veces más pequeños en volumen. Esta capa se comporta prácticamente como un emisor ideal de infrarrojos, proporcionando una potencia de enfriamiento radiativo de hasta 350 W/m2 para una superficie caliente, como un panel solar.
Poniendo los datos en contexto, esto podría eliminar la mitad del calor acumulado en un panel solar típico en un día claro, lo que sería suficiente para incrementar la eficiencia relativa de una celda solar en un 8%. Considerando la producción global de energía solar en 2017, este incremento de eficiencia representa suficiente energía para alimentar la ciudad de París durante un año entero.
Los investigadores han revelado el potencial de enfriamiento radiativo de los cristales autoensamblados, demostrando que es necesaria una única capa de microesferas para alcanzar el rendimiento óptimo. Este hecho es de gran interés para su futura aplicabilidad y producción. El nuevo material es seis veces más fino que los materiales de enfriamiento radiativo actuales y evita el uso de plásticos.
El potencial impacto de este tipo de tecnologías no ha pasado desapercibido. Los investigadores Juliana Jaramillo, Achille Francone y Nikolaos Kehagias del este grupo ICN2 también han desarrollado otro material que es fácilmente escalable y es capaz de proporcionar enfriamiento radiativo y autolimpieza.
The Collider, un programa de transferencia tecnológica promovido por Mobile World Capital Barcelona que conecta la investigación científica con la iniciativa emprendedora, ha galardonado este proyecto con el The Collider Tech Award 2019. El premio estimula el desarrollo futuro de esta línea de investigación en materiales de enfriamiento radiativo. Una patente europea que protege los derechos de propiedad intelectual de esta tecnología fue registrada el 31 de julio de 2019 por el ICN2 e ICREA.
Aparte de su uso en paneles solares, otras aplicaciones posibles incluyen la refrigeración de módulos termoeléctricos (dispositivos que convierten diferencias de temperatura en corrientes eléctricas), enfriar sistemas informáticos en centros de procesamiento de datos o incluso ventanas inteligentes que se refrescarían a sí mismas y a su entorno, ahorrando costes en aire acondicionado.
Referencia bibliográfica:
Juliana Jaramillo‐Fernandez, Guy L. Whitworth, Jose Angel Pariente, Alvaro Blanco, Pedro D. Garcia, Cefe Lopez, Clivia M. Sotomayor‐Torres. "A Self‐Assembled 2D Thermofunctional Material for Radiative Cooling". Small, 2019; 1905290. https://doi.org/10.1002/smll.201905290
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