Los investigadores del MIT han ideado una nueva forma de proporcionar refrigeración en un día caluroso y soleado, utilizando materiales económicos y sin necesidad de energía generada por combustibles fósiles. El sistema pasivo, que podría usarse para complementar otros sistemas de enfriamiento para conservar alimentos y medicamentos en caliente, ubicaciones fuera de la red, es esencialmente una versión de alta tecnología de una sombrilla.

El sistema permite la emisión de calor en el rango de luz infrarroja media que puede pasar directamente a través de la atmósfera e irradiar al frío del espacio exterior. perforando los gases que actúan como un invernadero. Para evitar el calentamiento bajo la luz solar directa, una pequeña tira de metal suspendida sobre el dispositivo bloquea los rayos directos del sol.

El nuevo sistema se describe esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza en un artículo del científico investigador Bikram Bhatia, estudiante de posgrado Arny Leroy, profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, profesor de física Marin Soljacic, y otros seis en el MIT.

En teoria, el sistema que diseñaron podría proporcionar un enfriamiento de hasta 20 grados Celsius (36 grados Fahrenheit) por debajo de la temperatura ambiente en un lugar como Boston, dicen los investigadores. Hasta aquí, en sus pruebas iniciales de prueba de concepto, han logrado un enfriamiento de 6 C (aproximadamente 11 F). Para aplicaciones que requieren aún más enfriamiento, el resto podría lograrse mediante sistemas de refrigeración convencionales o refrigeración termoeléctrica.

Otros grupos han intentado diseñar sistemas de enfriamiento pasivo que irradian calor en forma de longitudes de onda de luz en el infrarrojo medio. pero estos sistemas se han basado en dispositivos fotónicos de ingeniería compleja que pueden ser costosos de fabricar y no están disponibles para un uso generalizado, dicen los investigadores. Los dispositivos son complejos porque están diseñados para reflejar casi perfectamente todas las longitudes de onda de la luz solar. y solo para emitir radiación en el rango del infrarrojo medio, en la mayor parte. Esa combinación de reflectividad selectiva y emisividad requiere un material multicapa donde los espesores de las capas se controlan con precisión nanométrica.

Pero resulta que se puede lograr una selectividad similar simplemente bloqueando la luz solar directa con una franja estrecha colocada en el ángulo correcto para cubrir el camino del sol a través del cielo. no requiere seguimiento activo por parte del dispositivo. Luego, un dispositivo simple construido a partir de una combinación de película plástica económica, aluminio pulido, pintura blanca, y el aislamiento puede permitir la emisión necesaria de calor a través de la radiación del infrarrojo medio, que es como se enfrían la mayoría de los objetos naturales, al mismo tiempo que evita que el dispositivo se caliente por la luz solar directa. De hecho, Los sistemas simples de enfriamiento radiativo se han utilizado desde la antigüedad para lograr el enfriamiento nocturno; el problema era que tales sistemas no funcionaban durante el día porque el efecto de calentamiento de la luz solar era al menos 10 veces más fuerte que el efecto de enfriamiento máximo alcanzable.

Pero los rayos de calor del sol viajan en línea recta y se bloquean fácilmente, como experimentamos, por ejemplo, al pisar la sombra de un árbol en un día caluroso. Dando sombra al dispositivo, básicamente colocando un paraguas sobre él, y complementando eso con aislamiento alrededor del dispositivo para protegerlo de la temperatura del aire ambiente, los investigadores hicieron que el enfriamiento pasivo fuera más viable.

"Construimos la instalación e hicimos experimentos al aire libre en una azotea del MIT, "Dice Bhatia." Se hizo utilizando materiales muy simples "y mostró claramente la eficacia del sistema.

"Es engañosamente simple, "Dice Wang." Al tener una pantalla separada y un emisor a la atmósfera, dos componentes separados que pueden tener un costo relativamente bajo, el sistema no requiere una capacidad especial para emitir y absorber selectivamente. Estamos usando selectividad angular para permitir bloquear el sol directo, mientras continuamos emitiendo las longitudes de onda portadoras de calor al cielo ".

Este proyecto "nos inspiró a repensar el uso de 'sombra, '", dice Yichen Shen, un investigador afiliado y coautor del artículo. "En el pasado, la gente solo ha estado pensando en usarlo para reducir el calentamiento. Pero ahora, sabemos si la pantalla se usa de manera inteligente junto con un filtrado de luz de apoyo, en realidad, se puede utilizar para enfriar el objeto, " él dice.

Un factor limitante para el sistema es la humedad en la atmósfera, Leroy dice:que puede bloquear parte de la emisión infrarroja a través del aire. En un lugar como Boston cerca del océano y relativamente húmedo, esto limita la cantidad total de enfriamiento que se puede lograr, limitándolo a unos 20 grados centígrados. Pero en ambientes más secos, como el suroeste de EE. UU. o muchos entornos desérticos o áridos de todo el mundo, el enfriamiento máximo alcanzable podría ser mucho mayor, señala, potencialmente tanto como 40 C (72 F).

Si bien la mayoría de las investigaciones sobre enfriamiento radiativo se han centrado en sistemas más grandes que podrían aplicarse para enfriar habitaciones o edificios enteros, este enfoque está más localizado, Wang dice:"Esto sería útil para aplicaciones de refrigeración, como el almacenamiento de alimentos o las vacunas ". proteger las vacunas y otros medicamentos del deterioro en caliente, Las condiciones tropicales han sido un gran desafío continuo que esta tecnología podría estar bien posicionada para abordar.

Incluso si el sistema no fue suficiente para bajar la temperatura hasta los niveles necesarios, "podría al menos reducir las cargas" en los sistemas eléctricos de refrigeración, para proporcionar solo el último enfriamiento, Wang dice.

El sistema también podría ser útil para algunos tipos de sistemas fotovoltaicos concentrados, donde se utilizan espejos para enfocar la luz solar en una celda solar para aumentar su eficiencia. Pero tales sistemas pueden sobrecalentarse fácilmente y generalmente requieren una gestión térmica activa con fluidos y bombas. En lugar de, la parte trasera de tales sistemas de concentración podría equiparse con las superficies emisoras de infrarrojo medio utilizadas en el sistema de enfriamiento pasivo, y podría controlar la calefacción sin ninguna intervención activa.

A medida que continúan trabajando para mejorar el sistema, el mayor desafío es encontrar formas de mejorar el aislamiento del dispositivo, para evitar que se caliente demasiado del aire circundante, sin bloquear su capacidad de irradiar calor. "El principal desafío es encontrar material aislante que sea transparente al infrarrojo, "Dice Leroy.

El equipo ha solicitado patentes sobre la invención y espera que pueda comenzar a encontrar aplicaciones en el mundo real con bastante rapidez.

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.