Investigadores chinos inventan cerámica de refrigeración pasiva para mantener los edificios fríos sin usar electricidad

La nueva cerámica de refrigeración puede mejorar la eficiencia energética del sector de la construcción y ayudar a combatir el calentamiento global.

¿Qué es la refrigeración radiativa pasiva?

Imagina un día caluroso de verano, cuando el sol está brillando y todo se siente muy caliente. Ahora, piensa en cómo se siente fresco bajo la sombra de un árbol. Esto es un poco como la refrigeración radiativa pasiva, pero con un giro especial.

Lo que hace la refrigeración radiativa pasiva es como crear una «sombra superpoderosa» que puede enfriar las cosas aún más que la sombra normal. Funciona usando materiales especiales que no solo bloquean el sol, sino que también pueden enviar algo del calor de las cosas (como un edificio o un automóvil) de vuelta al espacio. Es como si estos materiales tuvieran una conexión mágica con el espacio exterior que les ayuda a deshacerse del calor.

Imagina que estás usando una camiseta que puede enviar algo de tu calor al espacio; incluso en un día caluroso, te sentirías más fresco. Eso es lo que hacen estos materiales especiales. No necesitan electricidad o máquinas para funcionar; simplemente hacen su trabajo por sí solos, lo cual es realmente genial y útil para mantener las cosas frescas sin usar mucha energía.

Cerámica refrigerante.

Investigadores de la City University de Hong Kong han anunciado un importante avance en el desarrollo de un material de refrigeración radiativa pasiva. Los resultados se han publicado en la revista Science en un artículo titulado «Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity«.

El material, bautizado como cerámica refrigerante, ha logrado propiedades ópticas de alto rendimiento para la generación de frío sin energía ni refrigerante. Su rentabilidad, durabilidad y versatilidad lo hacen muy adecuado para su comercialización en numerosas aplicaciones, especialmente en la construcción de edificios.

Al reducir la carga térmica de los edificios y proporcionar un rendimiento de refrigeración estable, incluso en condiciones meteorológicas diversas en todos los climas, la cerámica refrigerante mejora la eficiencia energética y puede combatir el calentamiento global.

Según Edwin Tso Chi-yan, profesor asociado de la Escuela de Energía y Medio Ambiente de CityU y uno de los autores del artículo, la PRC se considera una de las tecnologías ecológicas de refrigeración más prometedoras para frenar la creciente demanda de refrigeración de espacios, reducir la contaminación ambiental y combatir el calentamiento global.

Sin embargo, los PRC actuales que utilizan estructuras nanofotónicas están limitados por su elevado coste y su escasa compatibilidad con los usos finales existentes, mientras que las alternativas fotónicas poliméricas carecen de resistencia a la intemperie y de reflexión solar eficaz.

Propiedades ópticas y aplicabilidad mejoradas.

Pero nuestra cerámica refrigerante consigue propiedades ópticas avanzadas y tiene una sólida aplicabilidad. El color, la resistencia a la intemperie, la robustez mecánica y la capacidad de suprimir el efecto Leidenfrost -un fenómeno que impide la transferencia de calor y hace ineficaz la refrigeración líquida en la superficie caliente- son características clave que garantizan la naturaleza duradera y versátil de la cerámica refrigerante.

Edwin Tso Chi-yan

La extraordinaria singularidad de la cerámica refrigerante reside en su estructura jerárquicamente porosa como material cerámico a granel, que se fabrica fácilmente con materiales inorgánicos muy accesibles, como la alúmina, mediante un sencillo proceso de dos pasos que implica la inversión de fases y la sinterización. No se necesitan equipos delicados ni materiales costosos, lo que hace muy factible la fabricación escalable de cerámica refrigerante.

Las propiedades ópticas determinan el rendimiento de refrigeración de los materiales PRC en dos rangos de longitud de onda: el rango solar (0,25-2,5 µm) y el rango infrarrojo medio (8-13 µm). Una refrigeración eficaz requiere una alta reflectividad en el primer rango para minimizar la ganancia de calor solar y una alta emisividad en el segundo rango para maximizar la disipación radiativa de calor. Gracias a la elevada banda prohibida de la alúmina, la cerámica refrigerante reduce al mínimo la absorción solar.

Y no sólo eso, al imitar la bioblancura del escarabajo Cyphochilus y optimizar la estructura porosa basándose en la dispersión de Mie, la cerámica refrigerante dispersa eficazmente casi toda la longitud de onda de la luz solar, lo que da como resultado una reflectividad solar casi ideal del 99,6% (un récord de alta reflectividad solar) y consigue una elevada emisión térmica en el infrarrojo medio del 96,5%. Estas avanzadas propiedades ópticas superan las de los actuales materiales de última generación.

La cerámica de refrigeración está hecha de alúmina, que proporciona la deseada degradación por resistencia a los rayos UV, que es una preocupación típica de la mayoría de los diseños de PRC basados en polímeros. También presenta una extraordinaria resistencia al fuego, ya que soporta temperaturas superiores a 1.000 °C, lo que supera las capacidades de la mayoría de los materiales PRC basados en polímeros o metales.

Edwin Tso Chi-yan

Excelente resistencia a la intemperie.

Además de su excepcional rendimiento óptico, la cerámica refrigerante presenta una excelente resistencia a la intemperie, estabilidad química y resistencia mecánica, lo que la hace ideal para aplicaciones a largo plazo en exteriores.

A temperaturas extremadamente altas, la cerámica refrigerante exhibe una superhidrofilia que permite la dispersión inmediata de las gotas y facilita su rápida impregnación gracias a su estructura porosa interconectada. Esta característica superhidrofílica inhibe el efecto Leidenfrost que dificulta la evaporación, habitual en los materiales tradicionales de revestimiento de edificios, y permite una refrigeración evaporativa eficaz.

El efecto Leidenfrost es un fenómeno que se produce cuando un líquido entra en contacto con una superficie significativamente más caliente que su punto de ebullición. En lugar de hervir inmediatamente, el líquido forma una capa de vapor que lo aísla del contacto directo con la superficie. Esta capa de vapor reduce la velocidad de transferencia de calor y hace que la refrigeración del líquido sobre la superficie caliente sea ineficaz, provocando que el líquido levite y patine sobre la superficie.

La belleza de la cerámica refrigerante radica en que cumple los requisitos tanto de la RPC de alto rendimiento como de las aplicaciones en entornos reales. Nuestro experimento demostró que aplicando la cerámica refrigerante en el tejado de una casa se puede conseguir más de un 20% de electricidad para la refrigeración de espacios, lo que confirma el gran potencial de la cerámica refrigerante para reducir la dependencia de las personas de las estrategias tradicionales de refrigeración activa y ofrece una solución sostenible para evitar la sobrecarga de la red eléctrica, las emisiones de gases de efecto invernadero y las islas de calor urbanas.

Edwin Tso Chi-yan

Basándose en estos hallazgos, el profesor Tso afirmó que el equipo de investigación tiene la intención de seguir avanzando en las estrategias de gestión térmica pasiva. Su objetivo es explorar la aplicación de estas estrategias para mejorar la eficiencia energética, promover la sostenibilidad y aumentar la accesibilidad y aplicabilidad de las tecnologías de RPC en diversos sectores, como el textil, los sistemas energéticos y el transporte.

Más información: Kaixin Lin et al, Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi4725

Vía www.cityu.edu.hk