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Josep Lluís Tamarit, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech y Pol Lloveras, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech
Tomar un refresco o disfrutar de un ambiente confortable en un caluroso día de verano parecen hoy en día actividades casi triviales. Igualmente, se dan por aseguradas necesidades más esenciales como el transporte y almacenamiento de bienes perecederos, como alimentos o medicinas, y el mantenimiento de condiciones adecuadas en espacios habitables, así como en la industria y en el ámbito de las tecnologías de la información.
Sin embargo, todas estas prestaciones son en realidad lujos primermundistas que requieren tecnologías de refrigeración que conllevan un alto coste ambiental, especialmente debido a su uso masivo y su continuo crecimiento.
Se calcula que a día de hoy hay instalados unos 3 600 millones de aparatos de aire acondicionado en todo el mundo, número que se multiplicará por cuatro en los próximos 30 años debido al crecimiento de las clases medias en los países en vías de desarrollo.
El frío artificial ya supone el 20 % de la energía total consumida en edificios, tanto en viviendas como en locales comerciales, de manera que cualquier mejora en la eficiencia de los dispositivos de refrigeración resulta altamente deseable.
Además, la tecnología de refrigeración más extendida plantea otro problema de gran magnitud derivado del uso de fluidos muy perjudiciales para el medio ambiente. Hace ya más de dos décadas que se prohibieron los clorofluorocarbonos por su capacidad de degradación de la capa de ozono. Pero los compuestos utilizados actualmente, hidroclorofluorocarbonos e hidrofluorocarbonos, presentan un potencial de efecto invernadero hasta más de mil veces mayor que el dióxido de carbono.
Se estima que en 2050 la liberación, accidental pero frecuente, de dichos gases supondrá casi el 10 % del total de emisiones equivalentes de CO₂ y por ello la Unión Europea prevé su eliminación progresiva en la próxima década. Se hace evidente, pues, que en la lucha contra el cambio climático se requiere el desarrollo de tecnologías más eficientes y más respetuosas con el medio ambiente.
Alternativas a los métodos actuales
La tecnología de refrigeración más utilizada hoy en día se basa en un ciclo de compresión y expansión de un fluido durante el cual este sufre un proceso de condensación y evaporación. Este método permite controlar el intercambio de calor asociado a la transformación líquido-vapor mediante un trabajo externo de compresión y fue concebido y desarrollado durante el siglo XIX gracias a la formulación de la termodinámica. Su éxito radica en el hecho de que el calor de evaporación es grande y, por tanto, el efecto refrigerante también lo es.
Sin embargo, debido a los inconvenientes mencionados anteriormente, en tiempos recientes se han venido investigando posibles alternativas. En un informe del año 2014 realizado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos con el propósito de identificar las diferentes opciones, se postularon dos métodos llamados elastocalórico y magnetocalórico entre los más prometedores. Estos se hayan entre los llamados métodos calóricos de estado sólido que, por un lado, evitan el uso de fluidos dañinos y, por otro, presentan mejores eficiencias.
De manera análoga a los compresores de gases, estas técnicas consisten en controlar el intercambio de calor asociado a transformaciones que ocurren en el estado sólido mediante la aplicación de un campo externo. La naturaleza de dicho campo vendrá determinada por la magnitud física que sufra un cambio durante la transformación y marcará la denominación de los efectos calóricos correspondientes.
Así, los efectos magnetocalóricos, electrocalóricos, elastocalóricos y barocalóricos se refieren a aquellos obtenidos mediante aplicación de un campo magnético, eléctrico, de esfuerzo o de presión hidrostática, respectivamente. Se podrán obtener en transformaciones que involucren cambios en la magnetización, polarización, deformación y volumen. Actualmente ya existen prototipos basados en estos efectos magnetocalóricos, electrocalóricos y elastocalóricos, pero todavía están lejos de una posible implementación comercial.
La investigación en efectos barocalóricos es más reciente y todavía no se han desarrollado prototipos. Aunque recientemente se han producido avances significativos en este campo.
Las particularidades de los sólidos
Igual que ocurre con los compresores de gases, tan importante es la técnica en sí como el material sólido utilizado en el ciclo, y esto ha llevado a la búsqueda de materiales óptimos para este fin. Uno de los problemas generalizados más significativos que presentan dichos materiales radica en que las transformaciones en sólidos intercambian energías sustancialmente menores en comparación con aquellas que involucran los estados líquido y vapor, de manera que la capacidad refrigerante de los sólidos está lejos de los actuales fluidos.
Sin embargo, recientemente se ha identificado una familia de materiales llamados cristales plásticos que, en algunos casos, presentan un calor de transformación comparable al de la evaporación. Dicha energía proviene principalmente de cambios en la ordenación de las moléculas producidos al aplicar una presión o un campo eléctrico o magnético. Dado que la transformación del material resultante también conlleva un cambio de volumen sustancial, se puede controlar por aplicación de presión y por tanto da lugar a efectos barocalóricos colosales.
Ciclo refrigerante basado en efectos barocalóricos en sólidos. Las redes de moléculas (representadas por esferas) corresponden a las distintas estructuras internas de los cristales plásticos a lo largo del ciclo. El color indica su cambio de temperatura (de caliente a frío: rojo, verde, azul). Las flechas onduladas indican el flujo de calor: el ciclo absorbe calor de una nevera y lo cede al ambiente. Author provided
Encontrar una alternativa a los actuales compresores de gases sigue siendo un reto científico y tecnológico de primer orden, pero la necesidad medioambiental obliga a perseverar en la investigación. Las recientes observaciones de efectos barocalóricos colosales en cristales plásticos significan un salto cuantitativo muy sustancial que podría acelerar el desarrollo de tecnologías de refrigeración basadas en el estado sólido.
Josep Lluís Tamarit, Investigador del Grup de Caracterització de Materials, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech y Pol Lloveras, Investigador del Departament de Física, Escola d’Enginyeria de Barcelona Est, Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech