El futuro del fr¨ªo est¨¢ en los materiales cal¨®ricos

Hay materiales, algunos naturales como el caucho, pero la mayor¨ªa creados por los humanos, que tienen una particularidad: se enfr¨ªan o calientan seg¨²n se les aplique un campo de fuerza. Esta puede ser una corriente el¨¦ctrica, un im¨¢n, presi¨®n o simplemente estirarlo. Estos compuestos prometen una nueva forma de enfriar. Durante m¨¢s de un siglo, frigor¨ªficos, aires acondicionados y tambi¨¦n sistemas de calefacci¨®n han usado gases para funcionar, pero esos gases no son inocuos. Los clorofluorocarbonos (CFC) utilizados durante d¨¦cadas estaban acabando con la capa de ozono que protege la Tierra de la radiaci¨®n. Sus sustitutos, los hidrofluorocarbonos (HFC), resulta que tienen un efecto sobre el calentamiento global miles de veces mayor que el CO?. As¨ª que urge encontrar alternativas. Y estos materiales llamados cal¨®ricos podr¨ªan ser el futuro del fr¨ªo.

Los primeros frigor¨ªficos dom¨¦sticos aparecieron hace m¨¢s de un siglo. Desde entonces se han modernizado mucho, pero la esencia de su funcionamiento es el mismo: aprovechan un fen¨®meno b¨¢sico de la f¨ªsica por el que al comprimir un gas, pasa a estado l¨ªquido y se calienta. Al liberarlo de la presi¨®n, vuelve a su estado gaseoso enfriando su entorno. La necesidad de reemplazar los HFC ha hecho que la industria de la compresi¨®n de vapor busque alternativas, como el butano el amonio. Pero, por inflamables o por t¨®xicos, tienen sus riesgos. Por eso los cient¨ªficos est¨¢n buscando materiales y procesos que, siguiendo la misma mec¨¢nica, no tengan los problemas de los gases. Hasta ahora han encontrado cuatro grandes grupos: los electrocal¨®ricos, que cambian su temperatura al someterlos a un campo el¨¦ctrico, los de efecto magnetocal¨®rico, que se comportan igual, pero bajo el influjo de imanes, los barocal¨®ricos, que liberan energ¨ªa bajo presi¨®n, o los elastocal¨®ricos, cuya temperatura var¨ªa bajo la acci¨®n de una fuerza mec¨¢nica a lo largo de un eje.

La semana pasada, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley (LNL, Estados Unidos) presentaron un nuevo proceso, al que han llamado ionocal¨®rico. Es tan nuevo, que una b¨²squeda en Google anterior a que publicaran su trabajo en Science dio cero resultados. El proceso en s¨ª es bastante complejo, pero se podr¨ªa ilustrar con dos analog¨ªas. Una es el comportamiento del hielo cuando se le a?ade sal: se derrite formando una especie de plasma y, lo que es m¨¢s importante aqu¨ª, baja su punto de congelaci¨®n hasta los -10? o a¨²n menos. Lo que han hecho estos cient¨ªficos ha sido identificar un material s¨®lido llamado carbonato de etileno, presente en muchas bater¨ªas de litio. S¨®lido a temperatura ambiente, empieza fundirse al llegar a los 34?. Este comportamiento lo han alterado a?adi¨¦ndole iones de una sal, yoduro de sodio.

¡°El enfriamiento ionocal¨®rico funciona agregando una sal a un s¨®lido, lo que hace que el s¨®lido quiera ser l¨ªquido. Para convertirse en l¨ªquido, debe derretirse, lo que significa que debe absorber energ¨ªa

Drew Lilley, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley, Estados Unidos

Drew Lilley, del LNL y coautor del invento, explica el proceso: ¡°El enfriamiento ionocal¨®rico funciona agregando una sal a un s¨®lido, lo que hace que el s¨®lido quiera ser l¨ªquido. Para convertirse en l¨ªquido, debe derretirse, lo que significa que debe absorber energ¨ªa. Si evitamos que el s¨®lido absorba energ¨ªa del entorno, la robar¨¢ de s¨ª mismo, lo que enfriar¨¢ todo el material¡±. El calentamiento ser¨ªa a la inversa: ¡°Toma un l¨ªquido que tiene sal disuelta (iones) y los elimina. Cuando se eliminan los iones [mediante electrodi¨¢lisis], el l¨ªquido ya no quiere ser l¨ªquido, quiere convertirse en s¨®lido. Para hacerlo, debe cristalizar y liberar energ¨ªa. Si se evita que el l¨ªquido intercambie energ¨ªa con el entorno, se liberar¨¢ energ¨ªa y se calentar¨¢¡±, a?ade Lilley. El material vuelve a su estado s¨®lido y as¨ª podr¨ªa reiniciar el ciclo.

Emmanuel Defay, responsable de la unidad de nanotecnolog¨ªa del Instituto de Ciencia y Tecnolog¨ªa de Luxemburgo (ICTL) ha publicado tambi¨¦n en Science un comentario al trabajo de Lilley. ¡°La principal ventaja del sistema es la gran variaci¨®n de entrop¨ªa¡±, opina en un correo. Y explica: ¡°Dicho de una manera m¨¢s simple, el golpe de fr¨ªo que se puede generar durante cada ciclo es el m¨¢s grande que he visto en materiales cal¨®ricos, junto al de los barocal¨®ricos. El principal inconveniente es que cada ciclo tarda, por ahora, varios minutos. Hay que desalinizar la soluci¨®n, lo que lleva tiempo. Ese es el principal desaf¨ªo que tiene por delante esta tecnolog¨ªa. Un ciclo largo significa una potencia frigor¨ªfica baja¡±.

Es esa potencia frigor¨ªfica la que reorient¨® el trabajo de Xavier Moya, investigador de materiales cal¨®ricos en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Aunque su foco de estudio eran los magnetocal¨®ricos (sobre los que hizo su tesis), no lograban grandes rendimientos. ¡°En la pr¨¢ctica, cuando usas imanes permanentes, los mejores materiales magnetocal¨®ricos tienen cambios de temperatura de unos tres grados. Despu¨¦s se pueden convertir esos tres grados en 20 con regeneraci¨®n, pero ya la ingenier¨ªa es mucho m¨¢s complicada¡±, dice. Sin embargo, en 2015 descubrieron unos cristales pl¨¢sticos que le llevaron a reorientar sus estudios hacia el efecto barocal¨®rico. ¡°Nos dimos cuenta de que estos materiales pod¨ªan tener un rendimiento parecido a la compresi¨®n de gases y descubrimos que, por primera vez, lograban efectos de 60 grados¡±, a?ade. Es decir, lograron el rango de temperaturas en el que puede operar un frigor¨ªfico convencional, desde los -20? en el congelador, hasta los 40? en la parte trasera. Obtuvieron la patente de su descubrimiento al a?o siguiente.

Unos 200 a?os antes, el fil¨®sofo natural ingl¨¦s John Gough descubri¨® el efecto elastocal¨®rico. Gough era ciego, as¨ª que usaba mucho sus manos y sus labios para experimentar. Cuando le trajeron una tira de caucho procedente de India, descubri¨® que al estirarla casi se quema los labios y como, al soltarla, se enfriaba de forma repentina. Hoy lo que estiran y encogen son aleaciones met¨¢licas con memoria (capaces de volver a su forma original). Eso de estirar metales ya revela la complejidad de este enfoque. Sin embargo, es uno de los m¨¢s prometedores.

Alvar Torell¨® hizo su tesis sobre los materiales electrocal¨®ricos bajo la direcci¨®n de Defay, del centro de investigaci¨®n luxemburgu¨¦s. Reconociendo que no es imparcial, destaca de su enfoque que trabajan con campos el¨¦ctricos directamente. ¡°Y esta energ¨ªa que utilizo se puede recuperar en un 80%. Es muy eficiente¡±. Enseguida reconoce su principal problema, ¡°que se logra poco calor, aunque se podr¨ªa amplificar por medio de ingenier¨ªa¡±. Por poco calor, se refiere a unos pocos grados. Eso supone que ¡°hacer una nevera con electrocal¨®ricos nos pille muy lejos¡±, dice. Pero hay otros segmentos del fr¨ªo, como los aparatos de aire acondicionado y calefacci¨®n, que operan en rangos t¨¦rmicos de unos 10?, y eso s¨ª lo considera factible a medio plazo.

¡°Cuando miras las emisiones globales de CO?, calentamiento y enfriamiento suponen el 50% en Europa y Estados Unidos. La aviaci¨®n, el 3%¡±

Xavier Moya, investigador de materiales cal¨®ricos en la Universidad de Cambridge, Reino Unido

Un informe de 2018 de la Agencia Internacional de la Energ¨ªa estimaba que, para 2050, la demanda de energ¨ªa solo de los sistemas de aire acondicionado se triplicar¨¢. Por un lado, las nuevas clases medias de los pa¨ªses emergentes querr¨¢n tener sus casas fresquitas. Por el otro, el aumento de las temperaturas debido al cambio clim¨¢tico, elevar¨¢ la demanda de refrigeraci¨®n. Seguir apostando por la compresi¨®n de gases parece un contrasentido, por su elevado potencial de calentamiento. Por eso los materiales cal¨®ricos est¨¢n viviendo una fase explosiva.

El profesor de F¨ªsica de la Materia Condensada en la Universidad de Barcelona, Luis Ma?osa, lleva d¨¦cadas estudiando los materiales y efectos cal¨®ricos. Aunque ya hay algunos prototipos, como un enfriador de vino dise?ado por la alemana BASF, o un sistema de aire acondicionado para coches basado en el efecto elastocal¨®rico, ¡°la tecnolog¨ªa no est¨¢ lo suficientemente madura para la fase comercial¡±, dice. Cada una de las tecnolog¨ªas tiene a¨²n uno o dos problemas esenciales que solucionar. ¡°Los magnetocal¨®ricos necesitar¨ªan campos magn¨¦ticos muy grandes, los electrocal¨®ricos pueden funcionar con algo peque?o, pero no en un frigor¨ªfico, la fatiga de los materiales elastocal¨®ricos es un problema...¡± Ahora su equipo est¨¢ investigando una nueva clase de estos materiales, los multical¨®ricos, que pueden responder a m¨¢s de un tipo de fuerza. ¡°Toca cambiar el paradigma de la refrigeraci¨®n y estos materiales pueden ser la clave¡±, termina Ma?osa.

Xavier Moya, el cient¨ªfico de Cambridge, recuerda que ¡°durante muchos a?os, cuando la gente hablaba de energ¨ªas renovables, siempre era sobre placas solares o bater¨ªas, que son importantes, pero algunos llevamos mucho tiempo peleando por la necesidad de resolver el problema de la refrigeraci¨®n y la calefacci¨®n¡±. Y lo pone en perspectiva: ¡°Cuando miras las emisiones globales de CO?, calentamiento y enfriamiento suponen el 50% en Europa y Estados Unidos. Mientras, la aviaci¨®n, por la que muchos est¨¢n tan preocupados, solo genera el 3% de las emisiones¡±, a?ade Moya, que concluye: ¡°Todas estas nuevas tecnolog¨ªas, ya sean materiales cal¨®ricos o termoel¨¦ctricos u otro tipo de materiales que haya, pueden marcar la diferencia. Porque si no resolvemos el calentamiento y el enfriamiento con tecnolog¨ªas de bajo carbono, va a ser muy dif¨ªcil llegar emisiones netas cero¡±.

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