Con el aumento de las temperaturas y las olas de calor que perturban vidas en todo el mundo, las soluciones de refrigeración son cada vez más esenciales. Este es un tema crítico, especialmente en los países en desarrollo, donde el calor del verano puede ser extremo y se prevé que se intensifique. Pero los métodos de enfriamiento comunes, como los acondicionadores de aire, son costosos, consumir cantidades importantes de energía, requieren fácil acceso a la electricidad, ya menudo requieren refrigerantes que agotan el ozono o tienen un fuerte efecto invernadero.

Una alternativa a estos métodos de enfriamiento que consumen mucha energía es el enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC), un fenómeno en el que una superficie se enfría espontáneamente al reflejar la luz solar e irradiar calor a la atmósfera más fría. El PDRC es más eficaz si una superficie tiene una alta reflectancia solar (R) que minimiza la ganancia de calor solar. y un alto, emitancia térmica (ε) que maximiza la pérdida de calor radiativo hacia el cielo. Si R y ε son suficientemente altos, puede producirse una pérdida neta de calor, incluso bajo la luz del sol.

El desarrollo de diseños prácticos de PDRC ha sido un desafío:muchas propuestas de diseño recientes son complejas o costosas, y no se puede implementar o aplicar ampliamente en tejados y edificios, que tienen diferentes formas y texturas. Hasta ahora, pinturas blancas, que son económicos y fáciles de aplicar, han sido el punto de referencia para PDRC. Pinturas blancas, sin embargo, suelen tener pigmentos que absorben la luz ultravioleta, y no reflejan muy bien las longitudes de onda solares más largas, por lo que su desempeño es modesto en el mejor de los casos.

Los investigadores de Columbia Engineering han inventado un recubrimiento de polímero PDRC exterior de alto rendimiento con huecos de aire de nano a microescala que actúa como un enfriador de aire espontáneo y se puede fabricar, teñido, y aplicado como pintura en los tejados, edificios tanques de agua, vehículos incluso naves espaciales, cualquier cosa que se pueda pintar. Utilizaron una técnica de inversión de fase basada en solución que le da al polímero una estructura porosa similar a una espuma. Los huecos de aire en el polímero poroso se dispersan y reflejan la luz solar, debido a la diferencia en el índice de refracción entre los huecos de aire y el polímero circundante. El polímero se vuelve blanco y evita así el calentamiento solar. mientras que su emitancia intrínseca hace que pierda calor de manera eficiente hacia el cielo. El estudio se publica hoy en línea en Ciencias .

El equipo, Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales; Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada; y Jyotirmoy Mandal, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el grupo de Yang (todo el departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas), basado en trabajos anteriores que demostraron que los plásticos y polímeros simples, incluyendo acrílico, silicona, y PET, son excelentes radiadores de calor y podrían usarse para PDRC. Los desafíos eran cómo lograr que estos polímeros normalmente transparentes reflejaran la luz solar sin usar espejos plateados como reflectores y cómo hacerlos fácilmente desplegables.

Decidieron usar la inversión de fase porque es una simple, método basado en solución para hacer huecos de aire por dispersión de luz en polímeros. Los polímeros y disolventes ya se utilizan en pinturas, y el método de Columbia Engineering esencialmente reemplaza los pigmentos en la pintura blanca con vacíos de aire que reflejan todas las longitudes de onda de la luz solar, de UV a infrarrojos.

"Esta modificación simple pero fundamental produce R y ε excepcionales que igualan o superan a los de los diseños PDRC de última generación, pero con una comodidad que es casi como una pintura, "dice Mandal.

Los investigadores encontraron que la alta reflectancia solar de su recubrimiento de polímero (R> 96%) y una alta emisión térmica (ε ~ ​​97%) lo mantuvieron significativamente más frío que su entorno bajo cielos muy diferentes, p.ej. por 6 C en el cálido, desierto árido en Arizona y 3 C en la niebla, ambiente tropical de Bangladesh. "El hecho de que el enfriamiento se logre tanto en climas desérticos como tropicales, sin ninguna protección térmica o blindaje, demuestra la utilidad de nuestro diseño dondequiera que se requiera refrigeración, "Señala Yang.

El equipo también creó recubrimientos de polímeros de colores con capacidades de enfriamiento al agregar tintes. "Lograr un equilibrio superior entre el color y el rendimiento de enfriamiento en comparación con las pinturas actuales es uno de los aspectos más importantes de nuestro trabajo, "Yu señala". Para revestimientos exteriores, la elección del color suele ser subjetiva, y los fabricantes de pinturas han intentado hacer revestimientos de colores, como las de los techos, por décadas."

El grupo se ocupó de cuestiones ambientales y operativas, como la reciclabilidad, biocompatibilidad, y operabilidad a alta temperatura, en consideración, y demostró que su técnica se puede generalizar a una variedad de polímeros para lograr estas funcionalidades. "Los polímeros son una clase de materiales asombrosamente diversa, y como esta técnica es genérica, propiedades deseables adicionales se pueden integrar convenientemente en nuestros recubrimientos PDRC, si se dispone de polímeros adecuados, "Agrega Mandal.

"La naturaleza ofrece muchas formas de calentar y enfriar, algunas de las cuales son extremadamente conocidas y ampliamente estudiadas y otras poco conocidas. El enfriamiento radiativo, que utiliza el cielo como disipador de calor, pertenece al último grupo, y su potencial ha sido extrañamente pasado por alto por los científicos de materiales hasta hace unos años, "dice el profesor de física de la Universidad de Uppsala, Claes-Göran Granqvist, pionero en el campo del enfriamiento radiativo, que no participó en el estudio. "La publicación de Mandal et al. Destaca la importancia del enfriamiento radiativo y representa un avance importante al demostrar que los recubrimientos poliméricos jerárquicamente porosos, que se puede preparar de forma económica y cómoda, proporcionan un excelente enfriamiento incluso a plena luz del sol. "

Yang, Yu, y Mandal están refinando su diseño en términos de aplicabilidad, mientras se exploran posibilidades como el uso de polímeros y disolventes completamente biocompatibles. Están en conversaciones con la industria sobre los próximos pasos.

"Ahora es un momento crítico para desarrollar soluciones prometedoras para la humanidad sostenible, "Yang señala, "Este año, presenciamos olas de calor y temperaturas récord en América del Norte, Europa, Asia, y Australia. Es fundamental que encontremos soluciones a este desafío climático, y estamos muy emocionados de trabajar en esta nueva tecnología que lo aborda ".

Yu agrega que solía pensar que el blanco era el color más inalcanzable:"Cuando estudié pintura de acuarela hace años, las pinturas blancas eran las más caras. El blanco Cremnitz o el blanco plomo fue la elección de grandes maestros, incluyendo a Rembrandt y Lucian Freud. Ahora hemos demostrado que el blanco es, de hecho, el color más alcanzable. Se puede hacer usando nada más que huecos de aire del tamaño adecuado incrustados en un medio transparente. Los vacíos de aire son los que hacen que las hormigas blancas como la nieve y las plateadas del Sahara sean plateadas ".

El estudio se titula "Recubrimientos poliméricos jerárquicamente porosos para un enfriamiento radiativo diurno pasivo altamente eficiente".