Los científicos desarrollan un nuevo y genial método de refrigeración

Agregar sal a un camino antes de que una tormenta de invierno cambie cuando se formará hielo. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han aplicado este concepto básico para desarrollar un nuevo método de calefacción y refrigeración. La técnica, que han denominado «enfriamiento ionocalórico», se describe en un papel publicado el 23 de diciembre en la revista Ciencias.

El enfriamiento ionocalórico aprovecha cómo se almacena o libera la energía o el calor cuando un material cambia de fase, como pasar de hielo sólido a agua líquida. La fusión de un material absorbe el calor del entorno, mientras que la solidificación lo libera. El ciclo ionocalórico provoca este cambio de fase y temperatura a través del flujo de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) que provienen de una sal.

Los investigadores esperan que el método algún día pueda proporcionar calefacción y refrigeración eficientes, que representan más de la mitad de la energía utilizada en los hogares, y ayudar a eliminar los sistemas actuales de «compresión de vapor», que utilizan gases con un alto potencial de calentamiento global como refrigerantes. La refrigeración ionocalórica eliminaría el riesgo de que dichos gases se escapen a la atmósfera reemplazándolos por componentes sólidos y líquidos.

«El panorama de los refrigerantes es un problema sin resolver: nadie ha desarrollado con éxito una solución alternativa que haga que las cosas se enfríen, funcionen de manera eficiente, sean seguras y no dañen el medio ambiente», dijo Drew Lilley, asistente de investigación graduado en Berkeley Lab and Doctor. candidato en UC Berkeley que dirigió el estudio. «Creemos que el ciclo ionocalórico tiene el potencial de cumplir todos esos objetivos si se realiza adecuadamente».

Encontrar una solución que reemplace los refrigerantes actuales es esencial para que los países cumplan con los objetivos de cambio climático, como los de la Enmienda de Kigali (aceptada por 145 partes, incluido Estados Unidos en octubre de 2022). El acuerdo compromete a los signatarios a reducir la producción y el consumo de hidrofluorocarbonos (HFC) en al menos un 80 % durante los próximos 25 años. Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que se encuentran comúnmente en refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, y pueden atrapar el calor miles de veces con la misma eficacia que el dióxido de carbono.

El nuevo ciclo ionocalórico se une a varios otros tipos de enfriamiento «calórico» en desarrollo. Esas técnicas usan diferentes métodos, que incluyen magnetismo, presión, estiramiento y campos eléctricos, para manipular materiales sólidos para que absorban o liberen calor. El enfriamiento ionocalórico se diferencia por el uso de iones para impulsar cambios de fase de sólido a líquido. El uso de un líquido tiene el beneficio adicional de hacer que el material se pueda bombear, lo que facilita la entrada o salida de calor del sistema, algo con lo que el enfriamiento de estado sólido ha tenido problemas.

Lilley y el autor correspondiente Ravi Prasher, afiliado de investigación en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab y profesor adjunto de ingeniería mecánica en UC Berkeley, expusieron la teoría subyacente al ciclo ionocalórico. Calcularon que tiene el potencial de competir o incluso superar la eficiencia de los refrigerantes gaseosos que se encuentran en la mayoría de los sistemas actuales.

También demostraron la técnica experimentalmente. Lilley usó una sal hecha con yodo y sodio, junto con carbonato de etileno, un solvente orgánico común que se usa en las baterías de iones de litio.

«Existe la posibilidad de tener refrigerantes que no sean solo GWP [global warming potential]-cero, pero GWP-negativo», dijo Lilley. «Usar un material como el carbonato de etileno en realidad podría ser negativo en carbono, porque lo produce utilizando dióxido de carbono como entrada. Esto podría darnos un lugar para usar CO₂ de la captura de carbono».

Correr corriente a través del sistema mueve los iones, cambiando el punto de fusión del material. Cuando se derrite, el material absorbe calor del entorno, y cuando se eliminan los iones y el material se solidifica, devuelve calor. El primer experimento mostró un cambio de temperatura de 25 grados centígrados utilizando menos de un voltio, un aumento de temperatura mayor que el demostrado por otras tecnologías calóricas.

«Hay tres cosas que estamos tratando de equilibrar: el GWP del refrigerante, la eficiencia energética y el costo del equipo en sí», dijo Prasher. «Desde el primer intento, nuestros datos parecen muy prometedores en estos tres aspectos».

Si bien los métodos calóricos a menudo se analizan en términos de su poder de enfriamiento, los ciclos también se pueden aprovechar para aplicaciones como el calentamiento de agua o la calefacción industrial. El equipo ionocalórico continúa trabajando en prototipos para determinar cómo la técnica podría escalar para admitir grandes cantidades de enfriamiento, mejorar la cantidad de cambio de temperatura que el sistema puede soportar y mejorar la eficiencia.

«Tenemos este nuevo marco y ciclo termodinámico que reúne elementos de diferentes campos, y hemos demostrado que puede funcionar», dijo Prasher. «Ahora es el momento de la experimentación para probar diferentes combinaciones de materiales y técnicas para enfrentar los desafíos de ingeniería».

Lilley y Prasher han recibido una patente provisional para el ciclo de refrigeración ionocalórico, y la tecnología ya está disponible para la concesión de licencias.