Una nueva forma de proporcionar refrigeración sin poder: El dispositivo desarrollado en el MIT podría proporcionar refrigeración para ubicaciones fuera de la red

Investigadores del MIT han ideado una nueva forma de proporcionar refrigeración en un día caluroso y soleado, utilizando materiales económicos y que no requieren energía generada por combustibles fósiles. El sistema pasivo, que podría utilizarse para complementar otros sistemas de refrigeración para conservar alimentos y medicamentos en caliente, ubicaciones fuera de la red, es esencialmente una versión de alta tecnología de una sombrilla.

Dos versiones del dispositivo diseñado por investigadores del MIT, usar una tira de metal para bloquear la luz solar directa, se construyeron y probaron en el techo de un edificio del MIT para confirmar que podían proporcionar refrigeración muy por debajo de la temperatura ambiente. Foto de Bikram Bhatia

El sistema permite la emisión de calor en el rango de luz del infrarrojo medio que puede pasar directamente a través de la atmósfera e irradiar hacia el frío del espacio exterior., perforando a través de los gases que actúan como un invernadero. Para evitar el calentamiento bajo la luz directa del sol, 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 Nature Communications 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 Soljačić, y otros seis en el MIT.

En teoria, el sistema que diseñaron podría proporcionar refrigeración de tanto como 20 grados Celsius (36 grados Fahrenheit) por debajo de la temperatura ambiente en un lugar como Boston, los investigadores dicen. Hasta aquí, en su prueba inicial de prueba de concepto, han conseguido un enfriamiento de 6 do (acerca de 11 F). Para aplicaciones que requieren aún más enfriamiento, el resto podría lograrse a través de sistemas de refrigeración convencionales o enfriamiento termoeléctrico.

Otros grupos han intentado diseñar sistemas de enfriamiento pasivo que irradian calor en forma de longitudes de onda de luz del infrarrojo medio., pero estos sistemas se han basado en dispositivos fotónicos de ingeniería compleja que pueden ser costosos de fabricar y no están fácilmente disponibles para un uso generalizado, los investigadores dicen. 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 infrarrojo medio, en la mayor parte. Esa combinación de reflectividad selectiva y emisividad requiere un material multicapa donde los espesores de las capas se controlen con precisión nanométrica..

Pero resulta que se puede lograr una selectividad similar simplemente bloqueando la luz solar directa con una franja angosta colocada en el ángulo correcto para cubrir el camino del sol a través del cielo., no requiere seguimiento activo por parte del dispositivo. Entonces, un dispositivo simple construido a partir de una combinación de película plástica económica, aluminio pulido, pintura blanca, y el aislamiento puede permitir la necesaria emisión de calor a través de la radiación infrarroja media, que es como se enfrían la mayoría de los objetos naturales, mientras evita que el dispositivo se caliente con 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 máximo efecto de enfriamiento alcanzable.

Pero los rayos de calor del sol viajan en línea recta y se bloquean fácilmente, como experimentamos, por ejemplo, al entrar en la sombra de un árbol en un día caluroso. Al sombrear el dispositivo esencialmente colocando un paraguas sobre él, y completándolo 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 configuración e hicimos experimentos al aire libre en una azotea del MIT,Bhatia dice. “Se hizo con materiales muy simples” y mostró claramente la efectividad del sistema.

“Es un poco engañosamente simple,Wang dice. “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 habilidad especial para emitir y absorber selectivamente.. Estamos usando selectividad angular para permitir bloquear el sol directo, a medida que continuamos emitiendo las longitudes de onda portadoras de calor hacia el cielo”.

Este proyecto “nos inspiró a repensar el uso de ‘sombra,’”, dice Yichen Shen., afiliado de investigación y coautor del artículo. "En el pasado, la gente solo ha estado pensando en usarlo para reducir la calefacción. Pero ahora, sabemos si la sombra se usa de manera inteligente junto con algún filtrado de luz de apoyo, en realidad se puede usar 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 restringe la cantidad total de enfriamiento que se puede lograr, limitándolo a aproximadamente 20 grados Celsius. Pero en ambientes más secos, como el suroeste de los EE.. o muchos entornos desérticos o áridos de todo el mundo, el enfriamiento máximo alcanzable en realidad podría ser mucho mayor, señala, potencialmente tanto como 40 do (72 F).

Si bien la mayor parte de la investigación sobre enfriamiento radiativo se ha centrado en sistemas más grandes que podrían aplicarse para enfriar habitaciones o edificios completos, este enfoque es más localizado, wang dice: “Esto sería útil para aplicaciones de refrigeración, como almacenamiento de alimentos o vacunas”. Por cierto, proteger las vacunas y otros medicamentos del deterioro en caliente, las condiciones tropicales ha sido un gran desafío continuo que esta tecnología podría estar bien posicionada para abordar.

Incluso si el sistema no fuera suficiente para bajar la temperatura hasta los niveles necesarios, “al menos podría reducir las cargas” en los sistemas de refrigeración eléctrica, para proporcionar solo el último bit de enfriamiento, wang dice.

El sistema también podría ser útil para algunos tipos de sistemas de concentración fotovoltaica, donde se utilizan espejos para enfocar la luz solar sobre una célula solar para aumentar su eficiencia. Pero tales sistemas pueden recalentarse fácilmente y generalmente requieren gestión térmica activa con fluidos y bombas. En lugar, la parte trasera de dichos sistemas de concentración podría estar equipado con las superficies emisoras mediados de infrarrojos utilizados en el sistema de refrigeración pasiva, y podía controlar la calefacción sin ninguna intervención activa.

A medida que continúan trabajando para mejorar el sistema, el mayor desafío es encontrar maneras de mejorar el aislamiento del dispositivo, para evitar que se caliente demasiado del aire circundante, mientras no bloquear su capacidad para disipar el calor. “El principal desafío es encontrar material aislante que sería infrarroja transparente,”Dice Leroy.

El equipo ha solicitado una patente sobre la invención y la esperanza de que pueda empezar a encontrar aplicaciones del mundo real con bastante rapidez.

Fuente: news.mit.edu, por David L. Velero