Las recientes olas de calor han afectado a zonas como el norte de Europa y el noroeste del Pacífico, que tradicionalmente se las arreglaban sin mucho aire acondicionado. A medida que los habitantes de esas regiones se adapten a la nueva realidad, es probable que se dé un cambio en el uso de la electricidad, con aumentos de la demanda típicos de los lugares más al sur. La presión que estos cambios ejercen sobre la red eléctrica puede agravar el reto de abandonar rápidamente los combustibles fósiles.
Los materiales que calientan o enfrían pasivamente un entorno pueden reducir la demanda de energía al satisfacer algunas de estas necesidades sin tener que depender de ella. Algunos de estos materiales reflejan la luz solar entrante para evitar que se caliente un espacio, mientras que otros irradian activamente el calor hacia el espacio, pero en muchas de estas zonas hay temporadas y épocas en las que deshacerse del calor también aumenta el uso de la energía.
Es por ello que un equipo de investigadores de la Universidad de Nankai, China, se tomó la tarea de estudiar estos fenómenos y lograron descubrir una forma de tenerlo todo: calentarse con aire frío y enfriarse cuando se calienta, todo ello sin necesidad de aportar energía.
Detectar el calor
Los fundamentos de los materiales pasivos son bastante sencillos. Para calentar, se necesita un material que absorba la luz y libere energía en forma de calor. Enfriar puede ser tan sencillo como reflejar esta luz. De forma más compleja, también es posible incorporar materiales que irradien energía en longitudes de onda infrarrojas que no sean absorbidas por la atmósfera, permitiendo así que los fotones escapen al espacio.
Por lo general, hay que elegir entre una u otra opción: los materiales no pueden pasar fácilmente de absorber a reflejar la luz solar, lo mejor que se puede hacer es activar o desactivar una capacidad para que (por ejemplo) un material deje de reflejar la luz solar en determinadas condiciones, sin embargo, algunos de estos enfoques han requerido energía para cambiar de estado.
Para el nuevo material, el equipo de investigación se inspiró en el plegado y desplegado de las hojas de las plantas de mimosa, que cambian su forma en función de las condiciones ambientales. La idea era utilizar algo así para cambiar entre los estados de calentamiento y enfriamiento en función de la temperatura del entorno.
Para que esta idea funcionara, utilizaron un polímero que cambiaba su forma en respuesta a la temperatura. El polímero estaba formado por tres subunidades distintas que podían adoptar diferentes conformaciones cuando se sometían a tensión. Cuando las láminas del polímero se estiraban a altas temperaturas (90º C), se expandían y contraían a temperaturas típicas del ambiente interior. Esta lámina sensible a la temperatura se fusionó entonces con una lámina transparente que no responde a las temperaturas. La lámina bicapa resultante experimentaría tensiones desiguales debido a los cambios de temperatura, lo que haría que se enrollara cuando se enfriara y se aplanara cuando se calentara.
Enfriar con el rodillo
Por sí sola, la lámina sensible a la temperatura no sería especialmente útil, así que los investigadores tuvieron que combinarla con otros dos materiales:
Uno era una tercera capa para la lámina sensible a la temperatura con dos propiedades clave: reflejaba las longitudes de onda visibles y emitía fotones en el infrarrojo, lo que le permitía irradiar calor.
La segunda era un sustrato oscuro que absorbía la luz visible.
El último dispositivo consistía en una capa del sustrato oscuro que, cuando se exponía a la luz solar, la absorbía y la convertía en calor. Encima está la lámina de tres capas, que cambia de forma en función de la temperatura y refleja la luz solar mientras emite en el infrarrojo.
A bajas temperaturas, la lámina sensible a la temperatura se enrolla, dejando al descubierto el sustrato oscuro que absorbe la luz solar, lo que hace que las cosas se calienten. Sin embargo, cuando las temperaturas suben, la lámina se desenrolla, cubriendo aquello. Ahora, en lugar de una superficie absorbente, la superficie se convierte en reflectante, evitando que se caliente la zona. Sin embargo, todo el calor de la zona cubierta por este sistema puede irradiarse, ya que la superficie reflectante emite en el infrarrojo.
Los investigadores, de forma creativa, llaman a estos dos estados los modos de calentamiento y enfriamiento. Alrededor del 73% de la luz solar entrante se absorbe cuando está en modo calefacción. Mientras que enmodo de refrigeración, sólo se absorbe el 35% de la luz solar entrante y las emisiones en el infrarrojo medio aumentan en un 67%.
Aunque la lámina reflectante es fina y parece frágil, los investigadores probaron una durante más de 500 ciclos de enrollado y desenrollado y sobrevivió sin problemas aparentes. El único problema que observó el equipo fue que la capa reflectante no hacía un contacto sólido con la no reflectante cuando se desenrollaba, lo que limitaba la cantidad de calor que podía transferirse entre ambas. Dado que la capa reflectante se encarga de irradiar este calor, esto limitaba la eficacia global del sistema.
Otra limitación es que este material necesita bastante espacio para funcionar, ya que la superficie reflectante se enrolla en un tubo. Por lo tanto, habría que gestionar esto antes de incorporarlo a algo como un material de construcción. Aun así, el concepto de un material único que se adapta a la calefacción y la refrigeración puede ser bastante comercial y es posible que algunos detalles de la aplicación puedan resolverse en futuras repeticiones.