Los investigadores del MIT han demostrado una nueva forma de almacenar el calor no utilizado de los motores de los automóviles, maquinaria industrial, e incluso la luz del sol hasta que sea necesario. Un elemento central de su sistema es lo que los investigadores denominan un material de "cambio de fase" que absorbe una gran cantidad de calor a medida que se derrite y lo libera cuando se vuelve a solidificar.

Una vez derretido y activado por luz ultravioleta, el material almacena el calor absorbido hasta que un rayo de luz visible desencadena la solidificación y la liberación de calor. La clave para ese control son las moléculas agregadas que responden a la luz cambiando de forma de una que impide la solidificación a otra que lo permite. En un experimento de prueba de concepto, los investigadores mantuvieron una mezcla de muestra en forma líquida a temperatura ambiente, completamente 10 grados Celsius por debajo de donde debería haberse solidificado, y luego, después de 10 horas, utilizó un haz de luz para activar la solidificación y liberar la energía térmica almacenada.

Más de la mitad de toda la energía utilizada para alimentar mecánica, químico, y otros procesos se expulsan al medio ambiente en forma de calor. Plantas de energía, motores de coche, y procesos industriales, por ejemplo, producen grandes cantidades de calor, pero usan una fracción relativamente pequeña para hacer el trabajo. Y mientras que la luz del sol proporciona abundante energía radiante, Los dispositivos fotovoltaicos actuales convierten solo una fracción en electricidad. El resto se refleja o se absorbe y se convierte en calor que no se utiliza.

El desafío es encontrar la forma de almacenar toda esa energía térmica hasta que queramos utilizarla. Jeffrey Grossman, Morton and Claire Goulder and Family Professor en Sistemas Ambientales y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ha estado trabajando en ese problema durante más de una década.

Una buena forma de almacenar energía térmica es utilizando un material de cambio de fase (PCM) como la cera. Calentar un trozo sólido de cera, y gradualmente se irá calentando, hasta que comience a derretirse. A medida que pasa de la fase sólida a la líquida, seguirá absorbiendo calor, pero su temperatura permanecerá esencialmente constante. Una vez que esté completamente derretido, su temperatura volverá a subir a medida que se agregue más calor. Luego viene el beneficio. A medida que la cera líquida se enfría, se solidificará, y como lo hace, liberará todo ese calor de cambio de fase almacenado, también llamado calor latente.

Los PCM se utilizan ahora en aplicaciones como concentradores solares, sistemas de calefacción de edificios, y cocinas solares para regiones remotas. Pero mientras que los PCM pueden emitir abundante calor, no hay forma de controlar exactamente cuándo lo hacen. El tiempo depende de la temperatura del aire que los rodea.

"Puedes cargar una batería, y almacenará la electricidad hasta que quieras usarla, decir, en tu celular o carro eléctrico, "dice Grossman." Pero la gente tiene que calentar su cocina solar cuando sale el sol, y para cuando quieran hacer la cena, bien puede haber emitido todo su calor almacenado al aire fresco de la tarde ".

Por lo tanto, los PCM han demostrado ser un medio de almacenamiento de energía térmica de gran éxito, pero recuperarlo de una manera útil sigue siendo un desafío. "Lo que necesitábamos era un disparador que nos diera control sobre el momento de la liberación de calor, "dice Grossman.

Moléculas que pueden desencadenar

Hace unos pocos años, Grossman empezó a preguntarse si ya tendría el gatillo que necesitaba. En trabajos relacionados, su grupo había estado estudiando el almacenamiento de energía en moléculas especiales conocidas como interruptores fotográficos.

Ilumine una cierta longitud de onda de luz en un interruptor fotográfico, y su forma cambiará. Los mismos átomos están presentes, pero su orientación relativa entre sí cambia. Es más, permanecerán en esa configuración cambiada hasta que estén expuestos a otra longitud de onda de luz. Luego volverán a su forma original, liberando energía térmica en el proceso.

El grupo de Grossman ha avanzado mucho en el diseño de conmutadores de fotos para almacenar energía, pero las moléculas tienen una limitación clave:solo pueden cambiarse a su configuración de almacenamiento de energía mediante la luz. Como resultado, no se pueden cargar con el calor residual de los automóviles u otras máquinas o con la luz del sol.

Así que Grossman y los ex postdoctorados Grace Han y Huashan Li del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales comenzaron a examinar la posibilidad de usar un interruptor fotográfico de una nueva forma, como un disparador para controlar la liberación de energía de un material de cambio de fase.

"Podríamos adaptar su química para que coincida muy bien con el material de cambio de fase cuando está en una forma, pero cuando lo cambiamos, ya no coincide, "explica Grossman.

Si se mezcla con un PCM derretido en la forma no coincidente, el interruptor fotográfico evitaría que se convierta en un sólido, incluso por debajo de su temperatura de solidificación normal. Hacer brillar una longitud de onda de luz diferente podría cambiar el interruptor fotográfico de nuevo a su estructura correspondiente. El PCM se solidificaría entonces, liberando su calor latente almacenado.

Pruebas de prueba de concepto

Para explorar la viabilidad de ese enfoque, los investigadores utilizaron un PCM convencional llamado ácido tridecanoico y prepararon una variación especial de la molécula de fototransmisión azobenceno, que consta de dos anillos de átomos enlazados que pueden estar en diferentes posiciones entre sí.

En la forma "trans" de la molécula, los anillos son planos, su estado fundamental natural. En su forma "cis", uno de los anillos de benceno está inclinado 56 grados con respecto al otro, dicen los investigadores. Cambia de una forma a otra en respuesta a la luz. Haga brillar la luz ultravioleta (UV) en la versión plana, y se retorcerá. Ilumina la luz visible en la versión retorcida, y se aplanará.

La Figura 1 en la presentación de diapositivas de arriba muestra lo que Grossman llama el ciclo de almacenamiento y liberación de energía térmica e ilustra el papel que juega el interruptor fotográfico de azobenceno como un "dopante" de baja concentración (un material agregado para alterar las propiedades de una sustancia). Cuando la mezcla PCM-azobenceno, o compuesto, es sólido con el azobenceno en su forma trans, los dos componentes se empaquetan bien juntos. Cuando se calienta, el compuesto absorbe energía térmica, y el PCM se derrite. Al aplicarle luz ultravioleta, el dopante azobenceno cambia de trans a cis. Cuando esa mezcla se enfríe, el cis azobenceno evita la solidificación del PCM, por lo que el calor latente permanece almacenado. La iluminación con luz visible devuelve el azobenceno a su forma trans. La mezcla ahora puede solidificarse, liberando su calor latente almacenado en el proceso.

Una serie de pruebas mostró que su sistema funcionaba bien. Hacer brillar una lámpara ultravioleta (a una longitud de onda de 365 nanonómetros) sobre la mezcla líquida cambió la mayoría de las moléculas de trans azobenceno iniciales a su forma cis. Una vez que se cargó, la mezcla no se solidificó ni siquiera a temperatura ambiente, 10 grados centígrados por debajo de lo que hubiera sido sin los interruptores fotográficos cargados en la mezcla.

La iluminación del líquido con luz visible (450 nm) durante 30 segundos activó la solidificación y la liberación del calor latente almacenado. Es más, esencialmente todo el calor latente salió, poco o nada se había perdido por las fugas. "Con los interruptores añadidos, la energía térmica está bloqueada, "dice Grossman." Como resultado, es posible que haya menos necesidad del aislamiento pesado que se utiliza para evitar que el calor se escape de los PCM convencionales ".

Cuando los investigadores no arrojaron luz visible sobre su mezcla, encontraron que permanecía líquido a temperaturas por debajo de su punto de solidificación original durante 10 horas. Luego, la mezcla comenzó a solidificarse gradualmente, emitiendo su calor almacenado.

Para demostrar la durabilidad y repetibilidad del sistema, los investigadores lo cambiaron de un lado a otro, entre carga y descarga, 100 veces durante más de 50 horas. Durante el paso de descarga inicial, la cristalinidad del PCM cambió ligeramente con respecto al material de partida, pero después de eso, su estructura se mantuvo sin cambios.

Otras pruebas confirmaron la importancia de seleccionar o diseñar cuidadosamente un interruptor fotográfico que interactúe de manera efectiva con un PCM específico. De nuevo, el interruptor fotográfico debe mezclarse bien con el PCM líquido para formar el compuesto y debe cambiar, cuando se activa por la luz, entre dos estructuras distintas que se mezclan o interfieren con el empaque del PCM seleccionado. Los investigadores también encontraron que la optimización de la concentración del fotoconmutador en el PCM es fundamental. Cuando es demasiado bajo no interferirá con la solidificación. Cuando es demasiado alto la luz ultravioleta puede no penetrar la mezcla completamente, y las moléculas dopantes pueden reaccionar entre sí, agruparse en lugar de distribuirse bien y evitar el empaque de PCM.

Conceptos básicos de un dispositivo práctico

Grossman enfatiza que el trabajo hasta ahora es una prueba de principio. "Hay mucho trabajo por hacer para crear aplicaciones basadas en este concepto, " él dice.

Pero los investigadores prevén el siguiente tipo de dispositivo:la mezcla se mantendría en un recipiente con ventanas que podrían cubrirse para controlar la entrada de luz. Un intercambiador de calor entregaría energía térmica del sol u otra fuente al compuesto PCM, y una lámpara de descarga de gas o LED separada enviaría simultáneamente luz ultravioleta a través de las ventanas descubiertas para cargar el dopante azobenceno. Luego, las ventanas se cubrirían para permitir el almacenamiento térmico, incluso cuando la mezcla descendió a temperatura ambiente.

Cuando se desea liberación de calor, las ventanas estarían destapadas, y el compuesto líquido se expondría a luz ambiental o luz LED azul para una respuesta más rápida. Las ventanas estarían hechas de vidrio de borosilicato común, que transmitiría más del 90 por ciento de la luz UV y visible relevante, y un agitador dentro del recipiente ayudaría a evitar que las moléculas de azobenceno se peguen.

Película (s, rosario, y diferentes materiales

El grupo de Grossman continúa trabajando para aplicar y mejorar el concepto de almacenamiento térmico. Por ejemplo, están examinando su posible uso como un sistema novedoso para descongelar, un tema de interés continuo para Grossman, quien señala que los autos eléctricos de hoy consumen tanta energía de la batería para descongelar y calentar que su rango de manejo puede disminuir en un 30 por ciento durante el clima frío. Un enfoque mucho mejor sería almacenar energía térmica en una delgada película transparente y dispara una ráfaga de calor cuando es necesario para derretir esa molesta capa de hielo.

"Con eso en mente, queríamos ver si podíamos hacer películas delgadas de nuestro material en áreas más grandes y hacer que exhibiera los mismos comportamientos que vimos en nuestras muestras de laboratorio, "Dice Grossman. Ellos depositaron su compuesto de PCM líquido en una hoja de vidrio, poner otra hoja encima, y lo selló. Descubrieron que podían cargar la mezcla con luz ultravioleta y luego descargarla con luz visible. recuperar la energía de cambio de fase almacenada en forma de calor. Es más, podían hacerlo de forma selectiva para que una parte de la película se solidificara y el resto permaneciera líquido.

Otro trabajo se centra en diseñar una cocina solar que pueda almacenar calor después de la puesta del sol durante más de los 10 minutos típicos de los mejores modelos de la actualidad. que todavía dependen de PCM convencionales para el almacenamiento. Un compuesto de PCM podría funcionar mejor, excepto por un inconveniente:a medida que pasa de sólido a líquido, también cambia de volumen, potencialmente lo suficiente como para dañar el contenedor.

Para prevenir ese comportamiento, Cédric Viry, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales y miembro del Tata Center for Technology and Design, está trabajando para encapsular el material compuesto dentro de pequeñas perlas con conchas hechas de sílice o carbonato de calcio. El composite confinado pasará por los cambios de fase necesarios, pero el caparazón fuerte limitará el cambio de volumen masivo que ocurre en una mezcla no confinada. Las perlas encapsuladas podrían suspenderse en otros líquidos, y podrían ser posibles mejores métodos de suministrar luz a los materiales. "Una vez que logremos que funcione la microencapsulación, habrá muchas más aplicaciones, "dice Grossman.

Finalmente, los investigadores están ampliando su concepto a diferentes materiales y rangos de temperatura. "Hemos descubierto algunos aspectos técnicos importantes e interesantes de cómo funciona el sistema, "dice Grossman." En particular, cómo interactúan los PCM y los conmutadores de fotos a nivel molecular ".

Esa comprensión fundamental ya les ha permitido desarrollar sistemas que utilizan PCM con diferentes estructuras moleculares, en particular, con cadenas en lugar de anillos de átomos, junto con interruptores fotográficos optimizados para cada uno. En el futuro, Grossman cree que deberían poder desarrollar sistemas que puedan almacenar más energía térmica y puedan operar en una variedad de rangos de temperatura, incluyendo las bajas temperaturas de interés para aplicaciones biomédicas y electrónicas.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.