Microesferas de sílice autoensambladas para enfriar superficies sin consumo de energía

Investigadores del ICN2 y el ICMM-CSIC han desarrollado un nuevo material capaz de enfriar otro emitiendo radiación infrarroja. Los resultados se publican en Small y se espera que se usen en dispositivos donde un aumento de la temperatura tiene efectos drásticos en el rendimiento, como paneles solares y sistemas informáticos, entre otras aplicaciones.

Los sistemas de refrigeración representan el 15% del consumo mundial de energía y son responsables del 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Se podría decir que la cura es peor que la enfermedad, ya que los gases de efecto invernadero generan el calentamiento global, lo que requiere aún más refrigeración.

Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) han encontrado una salida a este círculo en colaboración con investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC). Miembros del Grupo de Nanoestructuras Fonónicas y Fotónicas ICN2, dirigido por la Prof. Dra. ICREA Clivia M. Sotomayor Torres, y el Grupo de Cristales Fotónicos ICMM, dirigido por el Prof. Investigador del CSIC, Ceferino López Fernández, han informado sobre un nuevo material bidimensional capaz de elimine el calor, enfriando la superficie en la que se coloca sin consumo de energía ni emisiones de gases de ningún tipo. El trabajo ha sido publicado en Small, con la Dra. Juliana Jaramillo-Fernández, quien es investigadora postdoctoral de Marie Slodowska-Curie COFUND en el ICN2, como su primer autor.

El material está inspirado en el eficiente mecanismo de regulación de temperatura de la Tierra, denominado enfriamiento radiativo del cielo. Aunque la Tierra es calentada por el Sol, también emite radiación infrarroja al espacio exterior, ya que este tipo de radiación no es capturada por la atmósfera. Los granos de arena en los desiertos se encuentran entre los principales contribuyentes a este fenómeno, que mantiene estable la temperatura promedio de nuestro planeta siempre que no consideremos las actividades humanas.

El material propuesto aprovecha el mismo principio. Los investigadores han demostrado que es capaz de enfriar una oblea de silicio bajo irradiación directa de la luz solar a 14 °C, mientras que un vidrio de soda-cal ordinaria simplemente la reduce a 5 °C. El material está formado por una matriz autoensamblada de esferas de sílice de 8 µm de diámetro, como granos de arena un volumen un millón de veces más pequeño. Esta capa se comporta casi como un emisor infrarrojo ideal, proporcionando una potencia de enfriamiento radiativo de hasta 350 W / m2 para una superficie caliente, como un panel solar.

Para poner esto en contexto, esto eliminaría la mitad del calor acumulado en un panel solar típico en un día despejado, lo que es suficiente para aumentar la eficiencia relativa de una célula solar en un 8%. Teniendo en cuenta la producción mundial de energía solar en 2017, este aumento de eficiencia representa suficiente energía para alimentar a la ciudad de París durante todo un año.

Los investigadores han desentrañado el potencial de enfriamiento del cielo radiativo de los cristales autoensamblados, lo que demuestra que solo se necesita una sola capa de microesferas para lograr el mejor rendimiento de enfriamiento, lo cual es de gran interés para la futura ampliación y aplicabilidad. Esto está en marcado contraste con los actuales materiales de enfriamiento radiativo de última generación, ya que es seis veces más delgado que las películas de polímero de vidrio existentes y evita el uso de plásticos.

El impacto potencial de este tipo de tecnologías no ha pasado desapercibido. El grupo ICN2 mencionado anteriormente también ha desarrollado otro material que es fácilmente escalable y capaz de proporcionar enfriamiento radiativo y autolimpieza. The Collider, un programa de transferencia de tecnología promovido por Mobile World Capital Barcelona que conecta la investigación científica con la iniciativa empresarial, ha otorgado a este proyecto The Collider Tech Award 2019, un premio que fomenta el desarrollo de esta línea de investigación sobre materiales de enfriamiento radiativo. El 31 de julio de 2019, ICN2 e ICREA presentaron una patente europea que protege los derechos de propiedad intelectual de esta tecnología.

Además del uso en paneles solares, otras aplicaciones concebibles incluyen la refrigeración de módulos termoeléctricos (dispositivos que convierten las diferencias de temperatura en corriente eléctrica), sistemas de refrigeración de computadoras en centros de datos o incluso ventanas inteligentes que se refrescarían a sí mismos y sus alrededores, ahorrando costos de aire acondicionado.