El nuevo sistema de enfriamiento elastocalórico es prometedor para uso comercial

Un equipo de investigadores de Estados Unidos y China ha desarrollado un sistema de enfriamiento elastocalórico que absorbe calor a medida que se libera tensión en haces de tubos metálicos. Dirigido por Ichiro Takeuchi de la Universidad de Maryland, el plan del equipo logró un rendimiento de enfriamiento a la par de otros materiales calóricos y podría allanar el camino para su uso comercial en un futuro no muy lejano.

Los sistemas de refrigeración convencionales suelen emplear gases que tienen potentes efectos de invernadero si se liberan a la atmósfera. Como resultado, los investigadores están desarrollando tecnologías alternativas de refrigeración de estado sólido basadas en materiales calóricos. Estos materiales sufren cambios de temperatura cuando se exponen a campos magnéticos o eléctricos externos, o en respuesta a tensiones o presiones mecánicas. Además de evitar productos químicos nocivos, los sistemas de refrigeración basados ​​en materiales calóricos también podrían ser más eficientes energéticamente que los refrigeradores existentes.

Hasta ahora, esta investigación se ha centrado principalmente en materiales magnetocalóricos, pero más recientemente, los materiales elastocalóricos han surgido como candidatos aún más prometedores para el enfriamiento calórico comercial. Entre estos materiales se encuentra la aleación de níquel-titanio (NiTi), altamente elástica y de fácil fabricación.

Como demostró por primera vez el equipo de Takeuchi hace más de una década, los alambres delgados de esta aleación pueden expulsar grandes cantidades de calor cuando están bajo tensión y absorberlo cuando se libera la tensión. "Hace unos 12 años, descubrimos que el NiTi puede mostrar experimentalmente un gran rango de temperatura, que se puede sentir con la mano", recuerda Takeuchi. “En ese momento, lo demostramos añadiendo tensión a cables de NiTi fácilmente disponibles. Así empezamos a fabricar dispositivos elastocalóricos”.

Luego, los investigadores se pusieron a trabajar en el desarrollo de aplicaciones de refrigeración comercialmente útiles. Sin embargo, implementar el enfriamiento elastocalórico a gran escala ha resultado ser un desafío técnico importante. El principal problema es que los ciclos repetidos de tensión y liberación dañan los cables de NiTi, limitando su vida útil práctica.

Para abordar este desafío, el equipo de Takeuchi desarrolló un novedoso sistema de intercambio de calor mediante el cual se bombea agua a través de haces de tubos de NiTi. “Nos tomó mucho tiempo superar varios desafíos de ingeniería, pero con nuestra reciente demostración pudimos demostrar lo que imaginamos hace 10 años. Estamos utilizando agua como fluido de intercambio de calor, enfriando el agua para que pueda usarse a su vez para refrigeración o aire acondicionado”, explica Takeuchi.

El equipo utilizó dos cantidades para medir el éxito del enfoque. El primero es la “potencia de enfriamiento entregada”, que describe la tasa de eliminación de calor. El segundo es el "intervalo de temperatura", que describe la diferencia de temperatura entre el agua en cada extremo del sistema. "Para estas dos importantes cifras, hemos podido alcanzar 260 W y 22,5 K, respectivamente", afirma Takeuchi. Los investigadores maximizaron cada uno de estos valores, simplemente ajustando las secuencias de operación de las válvulas en su sistema de intercambio de calor.

Estos últimos resultados son un ejemplo de cómo los materiales elastocalóricos están alcanzando el rendimiento de enfriamiento de sus contrapartes magnetocalóricas y pronto podrían ser candidatos factibles para sistemas de enfriamiento comerciales.

El enfriamiento de estado sólido se logra mediante tensión inducida por un campo eléctrico

Sin embargo, Takeuchi admite que el uso práctico de materiales elastocalóricos aún puede estar lejos, ya que probablemente será necesario desarrollar primero materiales más avanzados. "La elevada tensión necesaria para el NiTi sigue siendo un problema, pero hay materiales en el horizonte, otros materiales superelásticos, que se sabe que presentan efectos elastocalóricos con una tensión mucho menor", afirma.

"Estos materiales están menos desarrollados y aún no están disponibles comercialmente, pero creemos que un mayor desarrollo de estos materiales y su implementación en sistemas de refrigeración de baja tensión es una perspectiva realmente interesante". El equipo de Takeuchi ya ha elaborado planes para un enfriador de vino elastocalórico compacto y espera demostrar un prototipo exitoso una vez que estos materiales estén disponibles.

La investigación se describe en Science.