Imagínese un dispositivo que pueda sentarse al aire libre bajo la luz del sol en un día despejado, y sin usar energía, enfríe las cosas en más de 23 grados Fahrenheit (13 grados Celsius). Casi suena a magia pero un nuevo sistema diseñado por investigadores del MIT y en Chile puede hacer exactamente eso.

El dispositivo, que no tiene partes móviles, funciona mediante un proceso llamado enfriamiento radiativo. Bloquea la luz solar entrante para evitar que se caliente. y al mismo tiempo irradia luz infrarroja, que es esencialmente calor, que pasa directamente al cielo y al espacio, enfriar el dispositivo significativamente por debajo de la temperatura del aire ambiente.

La clave para el funcionamiento de este sencillo, El sistema económico es un tipo especial de aislamiento, hecho de una espuma de polietileno llamada aerogel. Este material ligero, que se ve y se siente un poco como malvavisco, bloquea y refleja los rayos visibles de la luz solar para que no penetren a través de ella. Pero es muy transparente a los rayos infrarrojos que transportan calor, permitiéndoles pasar libremente hacia afuera.

El nuevo sistema se describe hoy en un artículo de la revista Avances de la ciencia , por el estudiante graduado del MIT Arny Leroy, profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, y otros siete en el MIT y en la Pontificia Universidad Católica de Chile.

Se podría utilizar un sistema de este tipo, por ejemplo, como una forma de evitar que las verduras y frutas se echen a perder, potencialmente duplicando el tiempo que el producto podría permanecer fresco, en lugares remotos donde no se dispone de energía confiable para la refrigeración, Leroy explica.

Minimizar la ganancia de calor

El enfriamiento radiativo es simplemente el proceso principal que utilizan la mayoría de los objetos calientes para enfriarse. Emiten radiación infrarroja de rango medio, que lleva la energía térmica del objeto directamente al espacio porque el aire es muy transparente a la luz infrarroja.

El nuevo dispositivo se basa en un concepto que Wang y otros demostraron hace un año, que también utilizó enfriamiento radiativo pero empleó una barrera física, una tira estrecha de metal, proteger el dispositivo de la luz solar directa para evitar que se caliente. Ese dispositivo funcionó pero proporcionó menos de la mitad de la potencia de enfriamiento que logra el nuevo sistema debido a su capa aislante altamente eficiente.

"El gran problema era el aislamiento, "Leroy explica. La mayor entrada de calor que impidió que el dispositivo anterior lograra un enfriamiento más profundo fue el calor del aire circundante." ¿Cómo se mantiene la superficie fría sin dejar de irradiar? ", Se preguntó. El problema es que casi Todos los materiales aislantes también son muy buenos para bloquear la luz infrarroja y, por lo tanto, interferirían con el efecto de enfriamiento radiativo.

Se han realizado muchas investigaciones sobre formas de minimizar la pérdida de calor, dice Wang, quien es la profesora de Ingeniería Mecánica Gail E. Kendall. Pero este es un tema diferente que ha recibido mucha menos atención:cómo minimizar la ganancia de calor. "Es un problema muy difícil, " ella dice.

La solución llegó mediante el desarrollo de un nuevo tipo de aerogel. Los aerogeles son materiales ligeros que se componen principalmente de aire y proporcionan un muy buen aislamiento térmico. con una estructura compuesta por formaciones microscópicas en forma de espuma de algún material. La nueva idea del equipo fue hacer un aerogel de polietileno, el material utilizado en muchas bolsas de plástico. El resultado es un suave, blando material blanco que es tan liviano que un volumen determinado pesa solo 1/50 más que el agua.

La clave de su éxito es que, si bien bloquea más del 90 por ciento de la luz solar entrante, protegiendo así la superficie inferior del calentamiento, es muy transparente a la luz infrarroja, permitiendo que alrededor del 80 por ciento de los rayos de calor pasen libremente hacia afuera. "Estábamos muy emocionados cuando vimos este material, "Dice Leroy.

El resultado es que puede enfriar drásticamente un plato, hecho de un material como metal o cerámica, colocado debajo de la capa aislante, que se conoce como emisor. Ese plato podría enfriar un recipiente conectado a él, o líquido frío que pasa a través de bobinas en contacto con él, para proporcionar enfriamiento para productos o aire o agua.

Poniendo el dispositivo a prueba

Para probar sus predicciones sobre su eficacia, el equipo junto con sus colaboradores chilenos instalaron un dispositivo de prueba de concepto en el desierto de Atacama en Chile, partes de las cuales son las tierras más secas de la Tierra. No reciben prácticamente ninguna lluvia, todavía, estar justo en el ecuador, reciben una luz solar intensa que podría poner el dispositivo a prueba. El dispositivo logró un enfriamiento de 13 grados centígrados a plena luz del sol al mediodía solar. Pruebas similares en el campus del MIT en Cambridge, Massachusetts, logrado poco menos de 10 grados de enfriamiento.

Eso es suficiente enfriamiento para marcar una diferencia significativa en la conservación de productos en ubicaciones remotas, dicen los investigadores. Además, podría utilizarse para proporcionar una etapa de enfriamiento inicial para la refrigeración eléctrica, minimizando así la carga en esos sistemas para permitirles operar de manera más eficiente con menos energía.

Teóricamente tal dispositivo podría lograr una reducción de temperatura de hasta 50 C, los investigadores dicen, por lo que continúan trabajando en formas de optimizar aún más el sistema para que pueda expandirse a otras aplicaciones de enfriamiento, como el aire acondicionado de edificios, sin la necesidad de ninguna fuente de energía. El enfriamiento radiativo ya se ha integrado con algunos sistemas de aire acondicionado existentes para mejorar su eficiencia.

Ya, aunque, han logrado una mayor cantidad de enfriamiento bajo la luz solar directa que cualquier otro pasivo, sistema radiativo que no sean los que utilizan un sistema de vacío para el aislamiento, que es muy eficaz pero también pesado, costoso, y frágil.

Este enfoque también podría ser un complemento de bajo costo para cualquier otro tipo de sistema de enfriamiento, proporcionando enfriamiento adicional para complementar un sistema más convencional. "Sea cual sea el sistema que tengas, "Leroy dice, "ponle el aerogel, y obtendrá un rendimiento mucho mejor ".

Peter Bermel, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice, "El principal beneficio potencial del aerogel de polietileno que se presenta aquí puede ser su relativa compacidad y simplicidad, en comparación con una serie de experimentos anteriores ".

Él añade, "Podría ser útil comparar y contrastar cuantitativamente este método con algunas alternativas, como películas de polietileno y bloqueo de ángulo selectivo en términos de rendimiento (por ejemplo, cambio de temperatura), costo, y peso por unidad de área. … El beneficio práctico podría ser significativo si se realizara la comparación y la relación costo / beneficio favoreciera significativamente a estos aerogeles ".