Aire acondicionado mejor y basado en un proceso distinto del tradicional

Desde el frigorífico y el aparato de aire acondicionado que están en muchos hogares hasta los complejos sistemas de refrigeración que se utilizan en diversos procesos industriales, mantener el frío es una cuestión importante en la sociedad actual. El calentamiento global y el aumento de la población mundial hacen que la necesidad de sistemas de refrigeración energéticamente eficientes sea cada vez mayor. Pero las bajas temperaturas suelen significar un alto consumo de electricidad, lo que a su vez suele acarrear una mayor emisión de dióxido de carbono, un gas que promueve el calentamiento global, y el riesgo de emisiones de gases refrigerantes que promueven aún más ese calentamiento.

Un equipo integrado, entre otros, por Stefan Seelecke, Susanne-Marie Kirsch y Felix Welsch, los tres de la Universidad del Sarre en Alemania, está desarrollando un sistema de refrigeración ecológicamente sostenible y de muy alta eficiencia. Se trata de un sistema que no requiere el uso de refrigerantes.

La nueva tecnología utiliza materiales con memoria de forma, conformando piezas que pueden describirse como "músculos artificiales". Estos músculos son capaces de transportar el calor mediante la carga y descarga mecánicas de hilos de níquel-titanio.

Un prototipo se ha convertido en el primer prototipo del mundo de funcionamiento continuo que enfría el aire mediante este nuevo proceso. Y también en la primera máquina del mundo que puede enfriar el aire flexionando músculos artificiales.

El equipo de Seelecke está adaptando actualmente la tecnología para utilizarla en su primera aplicación práctica: sistemas de refrigeración para vehículos eléctricos.

La primera máquina de la historia que enfría el aire mediante "músculos" de níquel-titanio. Felix Welsch y Susanne Marie Kirsch ayudaron a desarrollar el sistema de refrigeración como parte de sus proyectos de investigación para el doctorado. El nuevo tipo de tecnología de refrigeración, muy eficiente desde el punto de vista energético y ecológicamente sostenible, que no requiere el uso de refrigerantes perjudiciales para el clima, está siendo desarrollado por el equipo del profesor Stefan Seelecke en la Universidad del Sarre. (Foto: Oliver Dietze)

La nueva tecnología es hasta 15 veces más eficiente que los sistemas basados en refrigerantes convencionales.

La nueva tecnología de refrigeración utiliza fibras musculares artificiales compuestas por haces de hilos ultrafinos con memoria de forma fabricados con la aleación de níquel y titanio conocida como "nitinol". Estos hilos tienen la propiedad especial de volver a su forma anterior después de ser estirados o deformados. Así, son capaces de tensarse y relajarse como los músculos humanos.

La razón de este comportamiento se encuentra en la estructura de la aleación metálica. Los átomos de la aleación están dispuestos en una estructura de red cristalina. Si al hilo de níquel-titanio se le deforma o si se tira de él, las capas de átomos de la red cristalina se mueven unas respecto de otras, creando una tensión mecánica en el material. Esta tensión se libera cuando el hilo vuelve a su forma original. Estos cambios en la estructura cristalina del material se conocen como transiciones de fase y hacen que los hilos absorban o liberen calor. Este es el efecto que Seelecke y su equipo aprovechan en su novedoso sistema de refrigeración.

El material con memoria de forma libera calor a su entorno cuando se carga mecánicamente en su estado superelástico y absorbe calor de su entorno cuando se descarga. Cuando los hilos de nitinol pretensados se destensan a temperatura ambiente, se enfrían hasta 20 grados por debajo de la temperatura inicial.

El equipo de investigación y desarrollo aprovecha esta propiedad para disipar el calor. La idea básica es permitir que los hilos pretensados y superelásticos con memoria de forma se relajen y así enfriar el espacio eliminando el calor de este. El calor absorbido por los hilos con memoria de forma se libera entonces al exterior cuando los hilos se vuelven a tensar en el entorno.

Sin embargo, el nuevo sistema de refrigeración es bastante más complejo. El equipo ha diseñado y desarrollado un circuito de refrigeración en el que una pieza gira de forma que los manojos de hilos de nitinol de 200 micras de grosor se estiran y relajan alternativamente de tal modo que el calor se transfiere de la forma más eficiente posible. El aire es impulsado a través de los haces de hilos en dos cámaras separadas: en una de ellas el aire se calienta y en la otra se enfría. De este modo, la máquina puede enfriar y también calentar. Cuando los hilos se cargan mecánicamente, se calientan unos 20 grados, por lo que el proceso también puede utilizarse como una bomba de calor.

Dependiendo de la aleación utilizada, la potencia de calentamiento o de enfriamiento de esta nueva tecnología es hasta treinta veces mayor que la potencia mecánica necesaria para cargar y descargar mecánicamente los haces de hilos de la aleación. Esto hace que el nuevo sistema sea mucho mejor que las bombas de calor y los refrigeradores convencionales disponibles actualmente. (Fuente: NCYT de Amazings)