Una capa de aerogel refleja el 96,6 % de la luz solar y ayuda a enfriar los tejados sin aire acondicionado.
- Hasta 5,2 °C de refrigeración adicional respecto a un revestimiento convencional de enfriamiento radiativo.
- 96,6 % de reflectancia solar, lo que limita la absorción de energía procedente del Sol.
- 94,5 % de transmitancia infrarroja en la ventana atmosférica, facilitando la disipación del calor.
- Un 55 % más de ahorro energético anual en refrigeración, según simulaciones de edificios en Abu Dabi.
- Sin consumo eléctrico durante el funcionamiento pasivo, con propiedades hidrófobas y resistencia al fuego.
Un equipo de investigadores de Hong Kong ha desarrollado un material ultraligero capaz de mejorar la refrigeración pasiva de los edificios sin consumir electricidad. Se trata de un aerogel blanco que refleja gran parte de la radiación solar y permite que el calor escape hacia el espacio. Los ensayos han conseguido reducir hasta 5,2 °C adicionales la temperatura de superficies refrigerantes, mientras que las simulaciones realizadas en un clima desértico apuntan a un importante potencial de ahorro energético.
Un material que permite enfriar los edificios aprovechando el cielo
El aumento de las temperaturas y la frecuencia de las olas de calor están convirtiendo la refrigeración de los edificios en uno de los grandes desafíos energéticos de las ciudades. Los sistemas de aire acondicionado permiten mantener unas condiciones interiores confortables, pero también incrementan la demanda eléctrica, especialmente durante las horas de mayor insolación.
Una alternativa consiste en aprovechar un fenómeno físico conocido como enfriamiento radiativo pasivo, mediante el cual determinadas superficies pueden liberar energía térmica en forma de radiación infrarroja hacia el cielo, incluso durante el día.
El problema es que los materiales utilizados hasta ahora deben realizar simultáneamente dos funciones: reflejar la luz solar y emitir el calor acumulado. Además, cuando su temperatura desciende por debajo de la del aire circundante, pueden volver a calentarse debido al intercambio térmico con el ambiente.
Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityUHK), en colaboración con la Universidad Jiaotong de Xi’an, han desarrollado una solución que permite mejorar este proceso.
El trabajo, dirigido por el profesor Edwin Tso y publicado en la revista científica Energy & Environmental Science, presenta un nuevo aerogel denominado WITA (White Infrared-Transparent Aerogel), diseñado para separar físicamente las funciones de reflexión solar y emisión térmica.
Cómo funciona el aerogel que enfría sin electricidad
La principal innovación consiste en colocar una capa de aerogel sobre un revestimiento convencional de enfriamiento radiativo.
En lugar de exigir que una única superficie refleje la radiación solar, emita calor y limite el intercambio térmico con el ambiente, el nuevo sistema distribuye estas funciones entre dos capas complementarias.
Una capa superior que refleja la luz solar
El aerogel presenta una estructura porosa capaz de dispersar intensamente la radiación solar incidente.
Gracias a esta arquitectura, consigue reflejar aproximadamente el 96,6 % de la energía solar, reduciendo la cantidad de calor que llega al revestimiento inferior.
Su color blanco responde precisamente a esta elevada capacidad de dispersión de la luz visible.
Una ventana transparente para liberar calor al espacio
Aunque refleja la mayor parte de la radiación solar, el material permite el paso de determinadas longitudes de onda infrarrojas.
Esta propiedad resulta fundamental porque la atmósfera terrestre presenta una región espectral, aproximadamente entre 8 y 13 micrómetros, en la que determinados gases atmosféricos absorben relativamente poca radiación térmica.
Es lo que se conoce como ventana atmosférica.
El aerogel alcanza una transmitancia del 94,5 % en esta región, permitiendo que la radiación térmica emitida por el revestimiento inferior atraviese la capa protectora y pueda escapar hacia el cielo.
Una barrera frente al calentamiento ambiental
La estructura porosa del aerogel también contribuye a limitar la transferencia de calor desde el aire exterior hacia la superficie refrigerante.
Este aislamiento resulta especialmente interesante cuando el revestimiento alcanza temperaturas inferiores a las del ambiente, una situación en la que el aire circundante tiende a devolverle calor.
El resultado es un sistema que combina alta reflexión solar, transmisión de radiación infrarroja y aislamiento térmico, sin necesidad de ventiladores, compresores ni otros componentes eléctricos para producir el enfriamiento.
Fabricado con polietileno de peso molecular ultraalto
Para desarrollar el aerogel, los investigadores utilizaron polietileno de peso molecular ultraalto, conocido por sus siglas UHMWPE.
Se trata de un polímero caracterizado por sus cadenas moleculares extremadamente largas, que proporcionan una elevada resistencia mecánica y favorecen la formación de estructuras estables.
Mediante un proceso de intercambio de disolventes, el equipo consiguió fabricar una red tridimensional porosa que mantiene su integridad estructural.
Frente a otros polímeros convencionales, como el polietileno de alta densidad, el UHMWPE presenta un mayor entrelazamiento de cadenas y una red de uniones físicas que ayuda a conservar la estructura del aerogel.
La elección del material no responde únicamente a sus propiedades ópticas. También busca conseguir un revestimiento suficientemente resistente para su posible utilización en edificios expuestos a condiciones ambientales exigentes.
Los ensayos consiguen reducir hasta 5,2 °C adicionales la temperatura
Los investigadores comprobaron el comportamiento del material mediante pruebas de campo realizadas en Hong Kong.
Al incorporar la capa de aerogel sobre un revestimiento de enfriamiento radiativo diurno, registraron una reducción adicional de temperatura de hasta 5,2 °C respecto al mismo tipo de revestimiento sin esta capa.
Este dato representa una mejora del rendimiento de refrigeración de la superficie, no una disminución equivalente de la temperatura del aire interior de un edificio.
La distinción es importante: una reducción de temperatura en un tejado puede disminuir la entrada de calor al inmueble, pero su efecto sobre las habitaciones depende de factores como el aislamiento, la ventilación, la geometría del edificio y las condiciones climáticas.
En cualquier caso, los resultados demuestran que es posible mejorar el enfriamiento radiativo sin aumentar el consumo energético del sistema.
Hasta un 55 % más de ahorro energético en refrigeración en climas desérticos
Uno de los resultados más interesantes del estudio procede de las simulaciones energéticas realizadas para edificios situados en Abu Dabi, una ciudad caracterizada por temperaturas elevadas y una fuerte radiación solar.
Los investigadores analizaron el comportamiento de una cubierta equipada con un revestimiento de enfriamiento radiativo convencional y lo compararon con el mismo sistema mejorado mediante el aerogel WITA.
Los cálculos mostraron que la incorporación de esta nueva capa podría incrementar aproximadamente un 55 % el ahorro anual de energía destinada a refrigeración respecto al conseguido con el revestimiento radiativo convencional.
Esto no significa que el edificio reduzca un 55 % su consumo eléctrico total, ni necesariamente que disminuya en ese porcentaje la electricidad utilizada por el aire acondicionado.
El resultado corresponde a una mejora relativa del ahorro energético proporcionado por el sistema de refrigeración pasiva.
Además, se trata de una estimación obtenida mediante simulaciones, no de una reducción del consumo verificada durante un año completo en un edificio comercial.
Aun así, el potencial resulta especialmente relevante para regiones cálidas, donde los sistemas de climatización funcionan durante buena parte del año y las cubiertas reciben una intensa radiación solar.
Resistente al agua, al fuego y a la radiación ultravioleta
Para que un material de refrigeración pasiva pueda utilizarse en edificios, no basta con que presente un buen comportamiento térmico. También debe soportar la exposición prolongada al sol, la lluvia y otros factores ambientales.
Según los investigadores, el aerogel WITA presenta varias características que favorecen su posible aplicación arquitectónica.
Su superficie es hidrófoba, lo que dificulta la acumulación de agua y puede facilitar la eliminación de determinados contaminantes superficiales.
También presenta propiedades retardantes de llama, una característica importante para cualquier material destinado a integrarse en la envolvente de los edificios.
El equipo sometió el aerogel a ensayos acelerados de exposición ultravioleta equivalentes a aproximadamente dos años de condiciones exteriores, manteniendo un elevado rendimiento.
No obstante, estas pruebas no sustituyen los ensayos de envejecimiento natural durante periodos prolongados. Antes de su comercialización será necesario comprobar su comportamiento frente a la suciedad, la abrasión, las variaciones de temperatura y las condiciones reales de instalación.
También puede fabricarse en diferentes colores
Una de las limitaciones de los materiales de refrigeración radiativa es su apariencia. Los revestimientos blancos suelen ofrecer una elevada reflectancia solar, pero no siempre encajan con las exigencias estéticas de los edificios.
Para ampliar sus posibilidades de aplicación, los investigadores también desarrollaron variantes del aerogel en colores rojo, amarillo y azul.
Según la información publicada por la universidad, estas formulaciones conservan las propiedades de refrigeración del material, lo que abre la posibilidad de utilizarlo en superficies arquitectónicas donde el acabado blanco no sea deseable.
Esta característica podría facilitar su integración en edificios residenciales, comerciales e instalaciones industriales.
Qué aplicaciones podría tener esta tecnología
Aunque la investigación se centra en mejorar los revestimientos de enfriamiento radiativo, el principio físico desarrollado podría resultar interesante para diferentes aplicaciones.
- Cubiertas de edificios: reducir la absorción solar y limitar el flujo de calor hacia los espacios interiores.
- Naves industriales y almacenes: disminuir las cargas térmicas en grandes superficies expuestas al sol.
- Edificios en climas cálidos: complementar los sistemas de aire acondicionado y reducir parte de su demanda eléctrica.
- Infraestructuras sin refrigeración activa: mejorar el comportamiento térmico de determinadas instalaciones expuestas a altas temperaturas.
La principal ventaja es que el material no necesita electricidad para producir el efecto de enfriamiento. Sin embargo, no debe interpretarse como un sustituto universal del aire acondicionado, especialmente en edificios con elevadas cargas térmicas internas o necesidades estrictas de control de temperatura y humedad.
Los desafíos antes de llegar a los edificios
A pesar de los resultados prometedores, todavía existen cuestiones importantes para determinar si el aerogel puede convertirse en una solución comercial competitiva.
Una de ellas es el coste de fabricación a gran escala. Aunque los investigadores describen un proceso de preparación relativamente sencillo, será necesario evaluar el consumo de materiales, disolventes y energía durante la producción.
También habrá que comprobar su comportamiento en superficies extensas y su compatibilidad con los materiales utilizados habitualmente en cubiertas y fachadas.
Desde una perspectiva ambiental, conviene recordar que el UHMWPE es un polímero sintético derivado de materias primas petroquímicas. Por tanto, el balance de sostenibilidad del sistema dependerá no solo de la electricidad que permita ahorrar durante su vida útil, sino también de las emisiones asociadas a su fabricación, mantenimiento y gestión al final de su vida útil.
Otro factor decisivo será el clima. El enfriamiento radiativo puede verse condicionado por la humedad atmosférica, la nubosidad y las características del entorno, de modo que los resultados obtenidos en Hong Kong o simulados para Abu Dabi no pueden extrapolarse directamente a cualquier ciudad.
Una nueva generación de materiales para edificios que se enfrían solos
La investigación representa un avance en el diseño de materiales capaces de controlar de forma selectiva la radiación solar y la emisión térmica.
Su aportación más importante no consiste simplemente en desarrollar una superficie más reflectante, sino en separar las funciones ópticas y térmicas mediante una estructura multicapa.
Este enfoque permite abordar una de las limitaciones habituales del enfriamiento radiativo: la entrada de calor desde el ambiente cuando la superficie refrigerante alcanza temperaturas inferiores a las del aire.
Si los resultados se reproducen a escala real y el proceso de fabricación resulta económicamente viable, tecnologías como WITA podrían convertirse en un complemento de las estrategias de arquitectura bioclimática, aislamiento térmico y eficiencia energética.
En un contexto de aumento de las necesidades de climatización, los materiales capaces de reducir las ganancias térmicas sin consumir electricidad pueden desempeñar un papel relevante en el diseño de edificios más eficientes y resistentes al calor.
Vía: City University of Hong Kong.
Más información: Decoupling solar reflection and thermal emission enables deep subambient radiative cooling for building energy savings
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