Como sabe cualquiera que haya aparcado un coche al sol en un caluroso día de verano, las ventanas de cristal son excelentes para dejar entrar la luz del sol, pero terribles para dejar salir el calor. Ahora, los ingenieros de la Universidad de Duke han desarrollado una tecnología similar a la de las ventanas inteligentes que, con sólo pulsar un interruptor, puede alternar entre la captación de calor de la luz solar y el enfriamiento de un objeto. Este método podría suponer un gran ahorro en calefacción, ya que podría reducir el consumo de energía en casi un 20% sólo en Estados Unidos. La tecnología electrocrómica -material que cambia de color u opacidad cuando se aplica electricidad- se detalla en un artículo titulado "Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management", publicado en la revista American Chemical Society Energy Letters.
"Hemos demostrado el primer dispositivo electrocrómico que puede alternar entre el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo", dijo Po-Chun Hsu, profesor adjunto de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Nuestro método de ajuste electrocrómico no tiene partes móviles y es continuamente ajustable".
Las ventanas inteligentes de vidrio electrocrómico son una tecnología relativamente nueva que utiliza una reacción electrocrómica para cambiar el vidrio de transparente a opaco y viceversa en un abrir y cerrar de ojos. Aunque hay muchos métodos para crear este fenómeno, todos implican intercalar un material que responda a la electricidad entre dos finas capas de electrodos y pasar una corriente eléctrica entre ellas. Aunque este truco es bastante difícil de conseguir para la luz visible, lo es aún más cuando hay que tener en cuenta también la luz infrarroja media (calor radiativo).
En el artículo, Hsu y su estudiante de posgrado Chenxi Sui demuestran un dispositivo delgado que interactúa con ambos espectros de luz mientras cambia entre los modos de calentamiento y enfriamiento pasivos. En el modo de calentamiento, el dispositivo se oscurece para absorber la luz solar e impedir que se escape la luz infrarroja media. En el modo de refrigeración, la capa oscurecida en forma de ventana se aclara, revelando al mismo tiempo un espejo que refleja la luz solar y permite que se disipe la luz infrarroja media de la parte posterior del dispositivo. Como el espejo nunca es transparente a la luz visible, el dispositivo no sustituiría a las ventanas de las casas u oficinas, pero podría utilizarse en otras superficies de edificios.
"Es muy difícil crear materiales que puedan funcionar en ambos regímenes", dijo Hsu. "Nuestro dispositivo tiene uno de los mayores rangos de sintonía en la radiación térmica jamás demostrados". Había que superar dos grandes retos para diseñar un dispositivo de este tipo.
El primero era crear capas de electrodos que condujeran la electricidad y fueran transparentes tanto a la luz visible como a la radiación térmica. La mayoría de los materiales conductores, como los metales, el grafito y algunos óxidos, no se ajustan a este requisito, ya que estas dos propiedades son incompatibles, por lo que Hsu y Sui diseñaron los suyos propios. Los investigadores empezaron con una capa de grafeno de un átomo de grosor, que demostraron que es demasiado fina para reflejar o absorber cualquiera de los dos tipos de luz. Pero tampoco es lo suficientemente propicia para transmitir la cantidad de electricidad necesaria para que el dispositivo funcione a gran escala. Para superar esta limitación, Hsu y Sui añadieron una fina rejilla de oro sobre el grafeno para que sirviera de autopista para la electricidad. Aunque esto redujo un poco la capacidad del grafeno para permitir el paso de la luz sin obstáculos, la compensación fue lo suficientemente pequeña como para que valiera la pena.
El segundo reto consistía en diseñar un material que pudiera interponerse entre las dos capas de electrodos y alternar entre la absorción de la luz y el calor o su paso. Los investigadores lo consiguieron aprovechando un fenómeno llamado plasmónica. Cuando se colocan diminutas partículas metálicas a nanoescala a sólo unos nanómetros de distancia unas de otras, pueden atrapar esencialmente longitudes de onda específicas de la luz en función de su tamaño y espacio. Pero en este caso, las nanopartículas están distribuidas aleatoriamente en racimos, lo que da lugar a interacciones con una amplia gama de longitudes de onda, lo que resulta beneficioso para atrapar eficazmente la luz solar.
En la demostración, la electricidad que pasa por los dos electrodos hace que se formen nanopartículas metálicas cerca del electrodo superior. Esto no sólo oscurece el dispositivo, sino que también hace que todo el dispositivo absorba y atrape tanto la luz visible como el calor. Y cuando se invierte el flujo eléctrico, las nanopartículas vuelven a disolverse en el electrolito líquido transparente. La transición entre los dos estados tarda uno o dos minutos en completarse. "El dispositivo pasaría muchas horas en un estado u otro en el mundo real, por lo que perder un par de minutos de eficiencia durante la transición es sólo una gota de agua", afirma Hsu.
Todavía hay muchos retos para que esta tecnología sea útil en el día a día. El mayor de ellos podría ser aumentar el número de veces que las nanopartículas pueden realizar ciclos entre la formación y la desintegración, ya que el prototipo sólo pudo realizar un par de docenas de transiciones antes de perder eficiencia. También hay margen de mejora en la reflectividad solar del modo de refrigeración, que Hsu espera que pueda lograr una refrigeración por debajo del ambiente en un futuro próximo.
Sin embargo, a medida que la tecnología vaya madurando, puede tener muchas aplicaciones. La tecnología podría aplicarse a las paredes exteriores o a los tejados para ayudar a calentar y enfriar los edificios consumiendo muy poca energía. Proporcionar a las envolturas de los edificios esa capacidad dinámica de utilizar recursos renovables para la calefacción y la refrigeración también podría abrir la oportunidad de utilizar menos los materiales de construcción que han sido una fuente importante de emisiones de carbono durante décadas.
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