A medida que las temperaturas se disparan, los acondicionadores de aire se encienden. La refrigeración consume mucha energía, lo que sobrecarga las redes eléctricas y aumenta las emisiones en países que aún dependen de los combustibles fósiles.

Casi el 20% de la electricidad utilizada en todo el mundo se utiliza para refrigerar edificios. Dejado sin marcar, este número podría triplicarse para 2035. Una solución:desarrollar tecnologías para hacer que el enfriamiento sea más eficiente.

Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) están desarrollando una tecnología de enfriamiento alternativa que utiliza adsorción (con una 'd'):la unión y liberación de compuestos refrigerantes por un material adsorbente. En busca de diversos materiales nanoporosos como adsorbentes, los investigadores recurrieron a los polímeros orgánicos covalentes (COP). Los COP pueden adsorber tres veces más refrigerante que las mejores alternativas disponibles, resultando en un enfriamiento más eficiente.

Pero la historia sobre cómo se produjo este descubrimiento reciente es un poco inesperada. Pequeños defectos en el material aumentaron la adsorción de una manera perfectamente imperfecta.

"Fue inusual, ¿sabes? Sabíamos que algo inexplicable estaba sucediendo con nuestros resultados, pero no estábamos seguros de por qué, "dijo Radha Motkuri, un ingeniero químico de PNNL que dirigió el estudio, que fue seleccionado como un artículo HOT y en el 10% superior de las publicaciones en Angewandte Chemie .

Refrigeración más eficiente ... por accidente

Algunos de los grandes descubrimientos del mundo se realizaron por accidente, como el nailon, la invención de las microondas, o incluso vidrio irrompible. En el caso de enfriamiento, algunos pequeños fallos dieron lugar a grandes conocimientos.

Durante la última década, Pete McGrail, un becario de laboratorio PNNL, y Motkuri, junto con su equipo, han estado estudiando materiales que son más eficientes para adsorber refrigerantes comunes utilizados en su tecnología de enfriamiento por adsorción. Han logrado grandes avances en la ingeniería de diferentes tipos de materiales porosos que albergan refrigerantes. Pero pensaron que podría haber un potencial inexplorado en otros materiales nanoporosos, incluidas las COP.

"A medida que los problemas climáticos continúan creciendo, encontrar formas de reducir el consumo de energía, como a través de un enfriamiento alternativo y más eficiente, es una necesidad absoluta, ", dijo McGrail." Esta investigación se basa en nuestra tecnología de enfriamiento ganadora del premio R&D 100 de 2017 ".

Los polímeros se utilizan en todos los ámbitos de la vida, desde champús hasta trajes espaciales. Se pueden combinar con otros elementos para diferentes propósitos; cuando se combinan con carbono, por ejemplo, se pueden convertir en poliéster y nailon.

El equipo probó 23 COP diferentes para ver su potencial de enfriamiento o refrigeración por adsorción. La mayoría se estancó con bajas capacidades de adsorción, lo que significa que no pudieron absorber más y estaban al máximo. Pero, dos no lo hicieron, la adsorción aumentó. Y siguió subiendo.

"Pensamos que algo andaba mal con el instrumento cuando probamos las capacidades de adsorción. Las tasas fueron mucho más altas de lo que esperábamos, "dijo Motkuri.

Entonces, lo intentaron de nuevo. Obtuvieron los mismos resultados. Dos compuestos, llamado COP-2 y COP-3, tenía capacidades de adsorción altísimas. Eran tan altos que estaban más allá de lo que esperaban los investigadores. Entonces, Motkuri se acercó a un colaborador en Francia, Guillaume Maurin en la Universidad de Montpellier, con experiencia en simulaciones moleculares para predecir la adsorción de estos dos polímeros.

Como un furtivo COP-2 y COP-3 son anillos químicos de carbono y nitrógeno, todos apilados juntos. Tuvieron que desempacar cada capa para ver cómo afectaba la adsorción.

Extrañamente los modelos de estructura COP-2 y COP-3 simulados no condujeron a los niveles de adsorción que vieron en la mesa de laboratorio. En las simulaciones, la adsorción se estabilizó. En el laboratorio, sin embargo, subió exponencialmente.

"Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que pasaba algo más, "dijo Motkuri." Y, nuestro equipo tuvo una idea ". Según trabajos anteriores, los investigadores sabían que los pequeños defectos juegan un papel interesante en la adsorción. "¿Qué pasa si agregamos defectos a estos modelos de estructura COP en la simulación?"

Defectos que son todo menos defectuosos

Maurin y su equipo utilizaron simulaciones para crear pequeños agujeros, o defectos, en el material eliminando algunas de las características químicas de los anillos.

"Fue entonces cuando vimos que sucedía algo mágico, "dijo Motkuri. La adsorción aumentó, y la adsorción de polímeros altamente defectuosos alineados con los resultados de laboratorio.

Descubrieron que los defectos estratégicos mejoran la adsorción en los COP, lo que explica el aumento de las tasas que vieron en el laboratorio.

"Dos de los COP que estábamos probando en el laboratorio tenían defectos para empezar, ", dijo Maurin." A veces las cosas funcionan, incluso cuando es un poco inesperado ".

¿Por qué la refrigeración eficiente es tan importante para el clima?

El enfriamiento no es solo por comodidad en un caluroso día de verano. El calor extremo es un peligro mortal para la salud. Con el aumento de las temperaturas globales, algunas regiones pobladas podrían volverse demasiado calientes para ser habitables en ciertas partes del año.

Adicionalmente, se espera que aumenten las futuras demandas de energía, y el aire acondicionado ya consume mucha energía. En 2019, El 8,5% del consumo de electricidad en EE. UU. Procedía de aires acondicionados, según la Agencia Internacional de Energía. En todo el mundo, las redes eléctricas pueden verse abrumadas a medida que aumenta el número de sistemas de refrigeración, las poblaciones crecen, y los ingresos aumentan, permitiendo que más personas puedan comprar aire acondicionado.

Esto se vuelve particularmente importante en áreas donde la energía no proviene de fuentes verdes. Se espera que el aire acondicionado aumente sustancialmente en países donde actualmente es menos común, como Indonesia o India.

Los acondicionadores de aire de alto rendimiento podrían reducir a la mitad la demanda de energía para refrigeración. Desarrollar tecnologías en el camino hacia una refrigeración más eficiente es un objetivo clave, especialmente porque se espera que la energía requerida para el enfriamiento se triplique durante las próximas tres décadas. El desarrollo de tecnología para un enfriamiento más eficiente puede ayudar a mitigar los desafíos en un mundo que se calienta rápidamente.