Ingenieros hongkoneses han desarrollado un dispositivo de enfriamiento elastocalórico que establece un nuevo récord mundial

Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han desarrollado un dispositivo de refrigeración ecológico con un rendimiento de enfriamiento que establece un nuevo récord mundial, con el potencial de transformar industrias que dependen del enfriamiento y reducir el consumo global de energía. Con un aumento de eficiencia superior al 48%, la nueva tecnología de enfriamiento elastocalórico abre una vía prometedora para acelerar la comercialización de esta tecnología disruptiva y abordar los desafíos ambientales asociados con los sistemas de refrigeración tradicionales.

Investigadores de ingeniería de HKUST desarrollan un dispositivo de enfriamiento ecológico con eficiencia récord

Tecnología Elastocalórica: Una Alternativa Sostenible

La tecnología de refrigeración tradicional por compresión de vapor depende de refrigerantes con alto potencial de calentamiento global. La refrigeración elastocalórica en estado sólido, basada en el calor latente del cambio de fase cíclico de aleaciones con memoria de forma (AMF), ofrece una alternativa respetuosa con el medio ambiente. Estas aleaciones son libres de gases de efecto invernadero, 100% reciclables y eficientes energéticamente. Sin embargo, la relativamente pequeña elevación de temperatura, entre 20 y 50 Kelvin (K), que es un indicador crítico del rendimiento del dispositivo de enfriamiento para transferir calor de una fuente de baja temperatura a un sumidero de alta temperatura, ha obstaculizado la comercialización de esta tecnología emergente.

Innovación en Enfriamiento: Dispositivo Elastocalórico Multimaterial

Para superar este desafío, el equipo de investigación dirigido por los Profesores SUN Qingping y YAO Shuhuai del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, ha desarrollado un dispositivo de enfriamiento elastocalórico en cascada multimaterial hecho de aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio (NiTi), rompiendo el récord mundial en su rendimiento de enfriamiento.

Seleccionaron tres aleaciones de NiTi con diferentes temperaturas de transición de fase para operar en el extremo frío, el extremo intermedio y el extremo caliente, respectivamente. Al ajustar las temperaturas de trabajo de cada unidad con las correspondientes temperaturas de transición de fase, se expandió la ventana de temperatura superelástica del dispositivo a más de 100 K, y cada unidad de NiTi operó dentro de su rango de temperatura óptimo, mejorando significativamente la eficiencia del enfriamiento. El dispositivo de enfriamiento elastocalórico en cascada multimaterial construido logró una elevación de temperatura de 75 K en el lado del agua, superando el récord mundial anterior de 50.6 K. Este avance en la investigación, titulado «Un Dispositivo de Enfriamiento Elastocalórico en Cascada Multimaterial para Gran Elevación de Temperatura», fue publicado recientemente en Nature Energy, una revista líder en el campo.

Implicaciones y Futuro de la Tecnología de Refrigeración Elastocalórica

Basándose en el éxito en el desarrollo de materiales y arquitecturas de enfriamiento elastocalórico, con numerosas patentes y artículos publicados en revistas de alto impacto, el equipo de investigación planea seguir desarrollando aleaciones con memoria de forma de alto rendimiento y dispositivos para aplicaciones de enfriamiento elastocalórico a temperaturas bajo cero y de bombeo de calor a altas temperaturas. Continuarán optimizando las propiedades de los materiales y desarrollando sistemas de refrigeración de alta eficiencia energética para impulsar la comercialización de esta innovadora tecnología.

El enfriamiento y la calefacción de espacios representan el 20% del consumo total de electricidad en el mundo y, según estimaciones de la industria, se proyecta que se conviertan en la segunda mayor fuente de demanda global de electricidad para 2050.

Contribución a la Sostenibilidad y Mitigación del Cambio Climático

«En el futuro, con el continuo avance de la ciencia de materiales y la ingeniería mecánica, confiamos en que la refrigeración elastocalórica pueda proporcionar soluciones de enfriamiento y calefacción de próxima generación, verdes y eficientes energéticamente, para satisfacer el enorme mercado mundial de refrigeración, abordando la tarea urgente de la descarbonización y la mitigación del calentamiento global«, comentó el Profesor Sun.

El trabajo de investigación fue realizado por los Profesores Sun y Yao (ambos autores correspondientes), el Asociado de Investigación Postdoctoral y doctorado Dr. ZHOU Guoan (primer autor), el estudiante de doctorado LI Zexi, los graduados de doctorado ZHU Yuxiang y HUA Peng, así como un colaborador de la Universidad de Wuhan.

Relevancia en la Lucha Contra el Calentamiento Global

Este avance no solo representa un paso adelante en la tecnología de refrigeración, sino que también tiene un gran potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, uno de los principales contribuyentes al calentamiento global. La adopción masiva de esta tecnología podría traducirse en una reducción significativa en el uso de refrigerantes convencionales y, por lo tanto, en una menor liberación de estos compuestos dañinos a la atmósfera.

Vía hkust.edu.hk

Cómo funciona un dispositivo de enfriamiento elastocalórico

Un dispositivo de enfriamiento elastocalórico es una tecnología innovadora que utiliza un principio bastante simple pero poderoso para enfriar o calentar cosas, y funciona de manera similar a cómo se estira y se suelta una banda elástica.

¿Cómo funciona?

1. Material especial: El corazón de este dispositivo es un material llamado «aleación con memoria de forma», que tiene la capacidad de cambiar de forma cuando se aplica fuerza, y luego volver a su forma original cuando se libera esa fuerza. Este material tiene propiedades únicas que lo hacen perfecto para enfriar.
2. Estiramiento y contracción: Cuando este material especial se estira, se calienta. Luego, cuando se suelta y regresa a su forma original, se enfría. Este cambio de temperatura ocurre debido a la energía que se absorbe o se libera durante el proceso de estiramiento y contracción.
3. Proceso cíclico: El dispositivo de enfriamiento elastocalórico utiliza este material en un ciclo continuo de estiramiento y contracción. Durante este ciclo, el material alterna entre calentarse y enfriarse.
4. Transferencia de calor: Este cambio de temperatura del material es aprovechado para mover el calor de un lugar a otro. Cuando el material se enfría, puede absorber calor de lo que necesita ser enfriado (como el interior de una nevera, por ejemplo). Luego, cuando el material se calienta, libera ese calor en un lugar donde no cause problema, como en el aire exterior.

Ejemplo sencillo:

Imagina que tienes una esponja mágica que se enfría cada vez que la aprietas. Si colocas esta esponja en una bebida caliente, la esponja absorbería el calor de la bebida, enfriándola. Luego, si liberas la esponja, esta se calentaría, y podrías dejar que se enfríe de nuevo en el aire.

Ventajas:

• Ecológico: Este tipo de enfriamiento no necesita los gases refrigerantes que se usan en las neveras convencionales, los cuales son dañinos para el medio ambiente.
• Eficiente: Puede ser más eficiente energéticamente, lo que significa que consume menos electricidad para hacer el mismo trabajo de enfriar.

Un dispositivo de enfriamiento elastocalórico utiliza un material que cambia de temperatura cuando se estira y se suelta, permitiendo mover el calor de un lugar a otro para enfriar o calentar de manera eficiente y amigable con el medio ambiente.