Residuos de comida, grafeno y papel: desarrollan una membrana que almacena calor y resiste 1.000 ciclos térmicos.
- 🍎 Residuos alimentarios convertidos en biochar funcional.
- 🔥 Almacenamiento de calor mediante cambio de fase.
- 🧱 Integración directa en una membrana de papel.
- ⚡ Hasta un 96,1 % de mejora en la transferencia térmica frente a la membrana de referencia.
- 🔄 Hasta un 90,2 % de retención de entalpía tras 1.000 ciclos en el compuesto optimizado.
- 💧 Paso del vapor de agua sin perder la función térmica.
- 🏠 Posible aplicación en ventilación y gestión energética de edificios.
¿Por qué importa?
Buena parte de la energía que consume un edificio acaba destinada a mantener unas condiciones interiores confortables. El problema no consiste únicamente en producir calor o frío de forma eficiente. También importa evitar desperdiciarlos y aprovechar mejor la energía térmica que ya circula por el edificio.
Una investigación liderada desde la Universidad Yonsei, en Corea del Sur, plantea una solución especialmente interesante: transformar residuos alimentarios en una estructura de carbono porosa, combinarla con grafeno y un material capaz de almacenar calor e integrarlo todo en una membrana de papel que también permite gestionar la humedad.
No es todavía un producto preparado para instalarse en una vivienda. Es un desarrollo experimental. Pero los resultados permiten imaginar sistemas de ventilación en los que una membrana deje de ser un elemento pasivo y pase a funcionar, en cierta medida, como una pequeña batería térmica.
De restos de comida a una estructura capaz de atrapar calor
El punto de partida resulta bastante cotidiano: residuos alimentarios mezclados.
Los investigadores los sometieron primero a carbonización lenta a 400 °C durante una hora. El material resultante, un biochar rico en carbono, recibió posteriormente un tratamiento con hidróxido de potasio y una segunda etapa térmica a 600, 700 y 800 °C.
La variante tratada a 700 °C ofreció el equilibrio más interesante. Alcanzó una superficie específica de 323,1 m² por gramo, con un 82,8 % de mesoporos.
Esa porosidad tiene una función muy concreta.
Los diminutos espacios internos sirven para alojar otro ingrediente esencial del sistema: docosano, un hidrocarburo utilizado aquí como material de cambio de fase.
Cuando alcanza su temperatura de transición, el docosano absorbe energía mientras se funde. Al enfriarse y volver al estado sólido, libera el calor almacenado.
Es el principio básico de una batería térmica, aunque en este caso no existe una batería convencional ni se almacena electricidad.
El gran problema de almacenar calor dentro de un material
Los materiales de cambio de fase llevan años investigándose para paredes, depósitos térmicos, textiles y sistemas energéticos. Su funcionamiento resulta atractivo porque pueden almacenar cantidades considerables de energía sin experimentar enormes variaciones de temperatura.
Pero arrastran dos problemas.
El primero aparece cuando el material se funde: puede escapar de la estructura que lo contiene.
El segundo tiene que ver con la velocidad. Muchos materiales orgánicos de cambio de fase presentan una conductividad térmica relativamente baja. Pueden almacenar bastante calor, pero transferirlo con rapidez resulta más complicado.
El biochar poroso aborda la primera dificultad. Sus cavidades retienen el docosano mediante fuerzas capilares e interacciones superficiales.
Para mejorar el transporte del calor, el equipo incorporó grafeno.
La combinación resulta más interesante que utilizar cada componente por separado: el biochar aporta una estructura porosa procedente de residuos y reduce la cantidad necesaria de material carbonoso convencional, mientras que el grafeno favorece las rutas por las que circula el calor.
Hasta 93,1 J por gramo de energía térmica almacenada
El compuesto optimizado, denominado FK7G/C22, alcanzó una entalpía de cambio de fase de 93,1 J/g alrededor de 48,4 °C.
La incorporación de grafeno permitió aumentar hasta un 72 % el almacenamiento de calor latente respecto a determinadas formulaciones basadas únicamente en el biochar tratado.
No conviene interpretar ese 72 % como una mejora universal frente a cualquier sistema de almacenamiento térmico. La comparación corresponde a los materiales de referencia empleados dentro del propio experimento.
Es una diferencia importante. Especialmente cuando se trasladan resultados de laboratorio a titulares.
El equipo también calentó el compuesto por encima de la temperatura de fusión del docosano para comprobar cuánto material escapaba. Después de 180 minutos a 70 °C, la formulación optimizada presentó una tasa de fuga del 13,2 ± 0,82 %, frente al 17,4 ± 0,77 % del sistema equivalente sin la modificación con grafeno.
Hay mejora, aunque las fugas no desaparecen completamente.
1.000 ciclos para comprobar si el material envejece
Un material térmico destinado a un edificio tendrá que calentarse y enfriarse una y otra vez. Obtener buenos resultados durante los primeros ciclos sirve de poco si la capacidad cae rápidamente.
Los investigadores sometieron las muestras a 1.000 ciclos entre 22 y 60 °C.
La formulación FK7G/C22 conservó aproximadamente el 90,2 % de su entalpía después de esos ciclos. Otra formulación estudiada, FK6G/C22, llegó al 93,1 % de retención.
Según el planteamiento experimental del trabajo, 1.000 ciclos equivaldrían aproximadamente a varios años de funcionamiento bajo la hipótesis de un ciclo térmico completo diario.
Es una prueba de durabilidad relevante para un material experimental, aunque todavía queda bastante distancia entre un ensayo acelerado y años de exposición real a polvo, humedad, contaminantes, variaciones de presión y mantenimiento de un sistema de ventilación.
La diferencia está en convertirlo en una membrana
Hasta aquí podría tratarse de otro material experimental para almacenar calor. El paso más peculiar del estudio llega cuando el compuesto se adhiere a una membrana comercial de papel.
Una membrana de ventilación debe permitir determinados intercambios entre corrientes de aire. Incorporar un material térmico demasiado impermeable podría resolver un problema y crear otro.
La estructura desarrollada mantuvo una elevada permeabilidad al vapor de agua. El valor de espesor de aire equivalente, Sd, fue de 0,71, por debajo del umbral de 1 utilizado por los investigadores y compatible con los criterios analizados de ISO 12572 y normas ASTM.
Al mismo tiempo, la membrana híbrida conservó alrededor del 80,2 % de la capacidad de almacenamiento de calor latente del compuesto a granel.
Su comportamiento térmico también mejoró: la conductividad medida fue un 96,1 % superior a la membrana de referencia sin modificar.
Otra precisión importante: eso no significa que el edificio vaya a consumir un 96,1 % menos de energía. La cifra describe una propiedad del material bajo las condiciones del experimento.
Una posible nueva generación de recuperadores de energía
Una aplicación especialmente lógica aparece en los sistemas de ventilación con recuperación de energía.
En un edificio climatizado existe un flujo continuo de energía que suele pasar desapercibido. El aire interior que se expulsa puede estar caliente en invierno o fresco en verano, mientras que el aire exterior que entra tiene que acercarse posteriormente a las condiciones interiores.
Los recuperadores aprovechan parte de esa diferencia térmica antes de expulsar definitivamente el aire.
Una membrana capaz de intercambiar humedad y almacenar temporalmente calor podría añadir inercia térmica al proceso. En vez de limitarse a transferir energía instantáneamente entre dos corrientes, podría absorber parte de ella y liberarla posteriormente cuando cambien las condiciones.
Ahí está una de las aportaciones más interesantes del trabajo.
La membrana deja de concebirse únicamente como una superficie de separación y empieza a comportarse como un elemento activo de gestión térmica.
El biochar empieza a salir del campo y entrar en los edificios
Durante mucho tiempo el biochar ha estado asociado principalmente a la agricultura, la mejora de suelos y el almacenamiento de carbono. La investigación reciente está ampliando considerablemente su campo de aplicación.
Su estructura porosa puede utilizarse como soporte de sustancias, adsorbente, componente de materiales de construcción y matriz para almacenar energía térmica.
La ventaja ambiental potencial resulta evidente: un residuo orgánico puede convertirse en materia prima para un material de mayor valor añadido.
Pero conviene evitar una conclusión demasiado rápida.
Producir este biochar requiere carbonización a alta temperatura, activación química con KOH, tratamientos posteriores, ultrasonidos, incorporación de grafeno e impregnación al vacío. Por tanto, que la materia prima proceda de residuos no convierte automáticamente al material final en una solución de baja huella ambiental.
Los propios autores señalan la necesidad de estudiar los requerimientos energéticos de fabricación y su viabilidad tecnoeconómica antes de pensar en una producción a gran escala.
No todas las temperaturas encajan con una vivienda
Hay otro aspecto que merece atención.
El compuesto optimizado cambia de fase alrededor de 48,4 °C, una temperatura bastante superior a la habitual en espacios interiores.
Eso no invalida la tecnología, pero condiciona sus aplicaciones.
Para aprovechar un material de cambio de fase de manera eficiente, su temperatura de transición debe ajustarse al rango térmico donde se pretende recuperar o almacenar energía. Una futura membrana destinada específicamente al confort residencial podría necesitar otros PCM o formulaciones con temperaturas de transición diferentes.
La arquitectura propuesta por los investigadores es quizá más importante que el docosano concreto utilizado: residuo carbonizado + estructura conductora + material de cambio de fase + membrana permeable.
Cambiar uno de esos componentes podría adaptar el sistema a escenarios térmicos distintos.
Potencial
El verdadero interés de esta investigación está en reunir funciones que normalmente requieren materiales o dispositivos diferentes.
Una futura membrana basada en este concepto podría recuperar energía del aire, amortiguar fluctuaciones térmicas y gestionar vapor de agua dentro de una misma estructura ligera.
En edificios de consumo energético reducido, donde cada pérdida térmica cuenta, estas soluciones podrían complementar al aislamiento, la ventilación mecánica controlada y las bombas de calor.
También existe margen fuera de la vivienda: recuperación de calor residual, fachadas activas, conductos de climatización, intercambiadores compactos o sistemas solares térmicos podrían beneficiarse de materiales capaces de almacenar calor directamente donde se produce el intercambio.
El siguiente salto ya no depende de conseguir otra cifra espectacular en laboratorio. Hace falta fabricar superficies mayores, someterlas a condiciones reales, cuantificar costes y comprobar cuánto ahorro energético proporcionan durante años.
Ahí se decidirá si el residuo de comida carbonizado puede acabar formando parte de los edificios del futuro.
Más información: Engineered biochar-graphene hybrid paper membranes for long-term thermal energy storage and ventilation energy recovery | Biochar | Springer Nature Link
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