Inventan una cerámica refrigerante para climatizar edificios sin necesidad de electricidad

Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) han dado a conocer el descubrimiento de un material de enfriamiento radiativo pasivo (PRC en inglés), que está llamado a producir importantes mejoras en la refrigeración de edificios y ciudades para combatir el calentamiento global, de forma muy eficiente y que puede reemplazar a los tradicionales equipos de aire acondicionado, costosos y contaminantes. Los resultados de la investigación acaban de publicarse en la revista científica Science.

El material, conocido como cerámica refrigerante, ofrece propiedades ópticas de alto rendimiento para la generación de refrigeración sin energía ni refrigerante. Su rentabilidad, durabilidad y versatilidad lo hacen muy adecuado para la comercialización en numerosas aplicaciones, particularmente en la construcción de edificios.

Al reducir la carga térmica de los edificios y proporcionar un rendimiento de refrigeración estable, incluso en una gran variedad de climas, esta cerámica “mejora la eficiencia energética y puede combatir el calentamiento global”, han afirmado los investigadores en un comunicado.

El enfriamiento radiativo pasivo o PRC se considera una de las tecnologías de refrigeración ecológicas más prometedoras para frenar la creciente demanda de climatización, reducir la contaminación ambiental y combatir el calentamiento global, según el profesor Edwin Tso Chi-yan, de CityU, uno de los autores correspondientes del artículo.

Aunque ya existían anteriormente materiales similares, éstos utilizan estructuras nanofotónicas, por lo que están limitados por su alto 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 efectiva.

Propiedades ópticas mejoradas y aplicabilidad

"Pero nuestra cerámica de enfriamiento logra propiedades ópticas avanzadas y tiene una aplicabilidad sólida", señaló el profesor Tso. "El color, la resistencia a la intemperie, la robustez mecánica y la capacidad de reducir el efecto Leidenfrost (un fenómeno que impide la transferencia de calor y hace que el enfriamiento líquido en la superficie caliente sea ineficaz) son características clave que garantizan la naturaleza duradera y versátil de la cerámica de enfriamiento".

La extraordinaria singularidad de la cerámica refrigerante radica en su estructura jerárquicamente porosa como material cerámico a granel, que se fabrica fácilmente utilizando materiales inorgánicos altamente accesibles, como la alúmina, mediante un proceso simple de dos pasos que incluye inversión de fases y sinterización. No se requieren equipos delicados ni materiales costosos, lo que hace que la fabricación escalable de cerámicas de enfriamiento sea altamente factible.

Las propiedades ópticas determinan el rendimiento de enfriamiento de los materiales PRC en dos rangos de longitud de onda: rango solar (0,25-2,5 µm) y rango de infrarrojo medio (8-13 µm). Un enfriamiento eficiente requiere una alta reflectividad en el primer rango para minimizar la ganancia de calor solar y una alta emisividad en el último rango para maximizar la disipación de calor radiativo. Debido a la alta banda prohibida de la alúmina, la cerámica refrigerante mantiene la absorción solar al mínimo.

Reflectividad solar del 96,5%

No solo eso, sino que, al imitar la bioblancura de una especie de escarabajo llamado Cyphochilus y optimizar la estructura porosa basada en la dispersión de Mie, la cerámica de enfriamiento dispersa eficientemente casi toda la longitud de onda de la luz solar, lo que resulta en una reflectividad solar casi ideal del 99,6 % y logra una alta emisión térmica en el infrarrojo medio del 96,5%. Estas propiedades ópticas avanzadas superan las de los materiales de última generación actuales.

“La cerámica de enfriamiento está hecha de alúmina, lo que proporciona la degradación de la resistencia a los rayos UV, lo cual es una preocupación típica de la mayoría de los diseños PRC basados en polímeros. También exhibe una excelente resistencia al fuego al soportar temperaturas superiores a 1.000 °C, lo que supera las capacidades de la mayoría de los materiales de RPC a base de polímeros o metales”, dijo el profesor Tso.

Excelente resistencia a la intemperie

Más allá de su rendimiento óptico excepcional, la cerámica de enfriamiento exhibe una excelente resistencia a la intemperie, estabilidad química y resistencia mecánica, lo que la hace ideal para aplicaciones en exteriores a largo plazo. A temperaturas extremadamente altas, la cerámica de enfriamiento exhibe superhidrofilicidad, lo que permite la dispersión inmediata de las gotas y facilita la rápida impregnación de éstas debido a su estructura porosa interconectada. Esta característica superhidrófila inhibe el efecto Leidenfrost, que dificulta la evaporación y que es típico de los materiales tradicionales de revestimiento de edificios. Por ello, el nuevo material permite un enfriamiento por evaporación eficiente.

"La belleza de la cerámica de enfriamiento es que cumple con los requisitos tanto para PRC de alto rendimiento como para aplicaciones en entornos de la vida real", dijo el profesor Tso, y agregó que la cerámica de enfriamiento se puede colorear con un diseño de doble capa, mejorando así su estética al gusto del consumidor.

"Nuestro experimento descubrió que la aplicación de cerámica refrescante en el techo de una casa puede lograr más del 20% de electricidad", afirmó.

"Para la refrigeración de espacios, se confirma el gran potencial de la refrigeración cerámica para reducir la dependencia de los sistemas tradicionales de refrigeración activa y proporciona una solución sostenible para evitar la sobrecarga de la red eléctrica, las emisiones de gases de efecto invernadero y las islas de calor urbanas", afirmó el profesor Tso.

Sobre la base de estos hallazgos, el Tso añadió que su equipo de investigación tiene la intención de avanzar en más sistemas 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, incluidos los textiles, los sistemas energéticos y el transporte.

Estudio de referencia: DOI: 10.1126/science.adi4725

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