Los investigadores del MIT han ideado una nueva forma de proporcionar refrigeración en un día caluroso y soleado, utilizando materiales económicos y sin necesidad de energía generada por combustibles fósiles.
El sistema pasivo, que podría usarse para complementar otros sistemas de enfriamiento para conservar alimentos y medicamentos en lugares calurosos y apartados de redes de energía eléctricas, es esencialmente una versión de alta tecnología de una sombrilla.
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Enfriador de sistema pasivo
El sistema permite la emisión de calor en el rango de luz del infrarrojo medio que puede pasar directamente a través de la atmósfera e irradiar hacia el frío del espacio exterior, perforando los gases que actúan como un invernadero.
Para evitar el calentamiento bajo la luz solar directa, una pequeña tira de metal suspendida sobre el dispositivo bloquea los rayos directos del sol.
El nuevo sistema se describe en la revista Nature Communications en un artículo del científico investigador Bikram Bhatia, el estudiante graduado Arny Leroy, la profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, el profesor de física Marin Soljacic y otros seis en el MIT.
En teoría, el sistema que diseñaron podría proporcionar un enfriamiento de hasta 20 grados centígrados por debajo de la temperatura ambiente en un lugar como Boston, dicen los investigadores.
Hasta ahora, en su prueba de concepto inicial, han logrado un enfriamiento de 6 grado celsius. Para aplicaciones que requieran aún más enfriamiento, el resto podría lograrse a través de sistemas de refrigeración convencionales o enfriamiento termoeléctrico.
Otros grupos han intentado diseñar sistemas de enfriamiento pasivo que irradien calor en forma de longitudes de onda de luz del infrarrojo medio, pero estos sistemas se han basado en dispositivos fotónicos de ingeniería compleja que pueden ser costosos de fabricar y no están fácilmente disponibles para un uso generalizado, dijeron los investigadores.
Los dispositivos son complejos porque están diseñados para reflejar casi a la perfección todas las longitudes de onda de la luz solar, y solo para emitir radiación en el rango infrarrojo medio, en su mayor parte. Esa combinación de reflectividad selectiva y emisividad requiere un material multicapa donde los espesores de las capas se controlen con precisión nanométrica.
Pero resulta que se puede lograr una selectividad similar simplemente bloqueando la luz solar directa con una franja estrecha colocada en el ángulo correcto para cubrir el camino del sol a través del cielo, sin necesidad de un seguimiento activo por parte del dispositivo.
Luego, un dispositivo simple construido a partir de una combinación de película plástica económica, aluminio pulido, pintura blanca y aislamiento puede permitir la emisión necesaria de calor a través de la radiación infrarroja media, que es como se enfrían la mayoría de los objetos naturales, al tiempo que evita que el dispositivo se enfríe. siendo calentada por la luz solar directa.
De hecho, desde la antigüedad se han utilizado sistemas simples de enfriamiento radiativo para lograr el enfriamiento nocturno; el problema era que tales sistemas no funcionaban durante el día porque el efecto de calentamiento de la luz solar era al menos 10 veces más fuerte que el efecto de enfriamiento máximo alcanzable.
Pero los rayos de calor del sol viajan en línea recta y se bloquean fácilmente, como lo experimentamos, por ejemplo, al pisar la sombra de un árbol en un día caluroso.
Al dar sombra al dispositivo esencialmente colocando un paraguas sobre él y complementándolo con aislamiento alrededor del dispositivo para protegerlo de la temperatura del aire ambiente, los investigadores hicieron que el enfriamiento pasivo fuera más viable.
Construimos la configuración e hicimos experimentos al aire libre en una azotea del MIT. Se hizo con materiales muy simples
“Es un poco engañosamente simple”, dijo Wang. “Al tener una pantalla separada y un emisor a la atmósfera, dos componentes separados que pueden tener un costo relativamente bajo, el sistema no requiere una habilidad especial para emitir y absorber selectivamente. Estamos usando selectividad angular para permitir bloquear el sol directo, mientras continuamos emitiendo las longitudes de onda portadoras de calor hacia el cielo”.
Este proyecto "nos inspiró a repensar el uso de la 'sombra'", dice Yichen Shen, afiliado de investigación y coautor del artículo. “En el pasado, la gente solo pensaba en usarlo para reducir el calentamiento. Pero ahora, sabemos que si la sombra se usa de manera inteligente junto con un filtro de luz de apoyo, en realidad se puede usar para enfriar el objeto”, mencionó.
Un factor limitante para el sistema es la humedad en la atmósfera, dice Leroy, que puede bloquear parte de la emisión infrarroja a través del aire.
En un lugar como Boston, cerca del océano y relativamente húmedo, esto restringe la cantidad total de enfriamiento que se puede lograr, limitándolo a unos 20 grados centígrados.
Pero en ambientes más secos, como el suroeste de los Estados Unidos o muchos desiertos o ambientes áridos de todo el mundo, el enfriamiento máximo alcanzable podría ser mucho mayor, señala, potencialmente hasta 40 C (72 F).
Si bien la mayor parte de la investigación sobre enfriamiento radiativo se ha centrado en sistemas más grandes que podrían aplicarse para enfriar habitaciones o edificios completos, este enfoque está más localizado, dice Wang: "Esto sería útil para aplicaciones de refrigeración, como almacenamiento de alimentos o vacunas". En efecto