Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) ha desarrollado un material que, recubierto en un panel de vidrio, puede autoadaptarse eficazmente para calentar o enfriar habitaciones en diferentes zonas climáticas del mundo, ayudando a reducir el consumo de energía. Desarrollado por investigadores de la NTU y publicado en la prestigiosa revista científica Science, este vidrio, el primero de su clase, responde automáticamente a los cambios de temperatura cambiando entre calefacción y refrigeración.
El vidrio autoadaptativo se ha desarrollado utilizando capas de un compuesto de nanopartículas de dióxido de vanadio, poli(metilmetacrilato) (PMMA) y un revestimiento de baja emisividad para formar una estructura única que pueda modular la calefacción y la refrigeración simultáneamente.
El vidrio recién desarrollado, que no tiene componentes eléctricos, funciona aprovechando los espectros de luz responsables del calentamiento y el enfriamiento. En verano, el vidrio suprime el calentamiento solar (luz infrarroja cercana), al tiempo que potencia el enfriamiento radiativo (infrarrojo de onda larga) -fenómeno natural en el que el calor se emite a través de las superficies hacia el universo frío- para enfriar la habitación. En invierno, hace lo contrario para calentar la habitación. En las pruebas de laboratorio realizadas con una cámara de infrarrojos para visualizar los resultados, el vidrio permitió emitir una cantidad controlada de calor en diversas condiciones (temperatura ambiente - por encima de los 70 °C), lo que demuestra su capacidad de reaccionar dinámicamente a las condiciones climáticas cambiantes.
El nuevo vidrio regula tanto la calefacción como la refrigeración
Las ventanas son uno de los componentes clave en el diseño de un edificio, pero también son la parte menos eficiente energéticamente y la más complicada. Sólo en Estados Unidos, el consumo de energía asociado a las ventanas (calefacción y refrigeración) en los edificios representa aproximadamente el cuatro por ciento de su uso total de energía primaria cada año, según una estimación basada en los datos disponibles en el Departamento de Energía de Estados Unidos.
Aunque los científicos de otros países han desarrollado innovaciones sostenibles para aliviar esta demanda de energía -como el uso de revestimientos de baja emisividad para evitar la transferencia de calor y vidrios electrocrómicos que regulan la transmisión solar de la habitación al tintarse-, ninguna de las soluciones ha sido capaz de modular la calefacción y la refrigeración al mismo tiempo, hasta ahora.
El investigador principal del estudio, el Dr. Long Yi, de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales (MSE) de la NTU, dijo: "La mayoría de las ventanas de ahorro de energía actuales abordan la parte de la ganancia de calor solar causada por la luz solar visible y casi infrarroja. Sin embargo, los investigadores suelen pasar por alto el enfriamiento radiativo en el infrarrojo de longitud de onda larga. Aunque las innovaciones centradas en el enfriamiento radiativo se han utilizado en paredes y techos, esta función se vuelve indeseable durante el invierno. Nuestro equipo ha demostrado por primera vez un vidrio que puede responder favorablemente a ambas longitudes de onda, lo que significa que puede autoajustarse continuamente para reaccionar a una temperatura cambiante en todas las estaciones".
Gracias a estas características, el equipo de investigación de la NTU cree que su innovación ofrece una forma cómoda de conservar la energía en los edificios, ya que no depende de ningún componente móvil, mecanismo eléctrico o bloqueo de vistas para funcionar. Para mejorar el rendimiento de las ventanas, la modulación simultánea de la transmisión solar y la refrigeración radiativa son cruciales, señalan los coautores, el profesor Gang Tan, de la Universidad de Wyoming (EE.UU.), y el profesor Ronggui Yang, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (Wuhan, China), que dirigió la simulación de ahorro de energía en edificios.
"Esta innovación llena el vacío existente entre las ventanas inteligentes tradicionales y la refrigeración radiativa, allanando una nueva dirección de investigación para minimizar el consumo de energía", dijo el profesor Gang Tan. El estudio es un ejemplo de investigación innovadora que respalda el plan estratégico NTU 2025, que pretende abordar los grandes retos de la humanidad en materia de sostenibilidad y acelerar la traducción de los descubrimientos de la investigación en innovaciones que mitiguen el impacto humano en el medio ambiente.
Innovación útil para una amplia gama de tipos de clima
Como prueba de concepto, los científicos probaron el rendimiento de ahorro energético de su invento utilizando simulaciones de datos climáticos que cubrían todas las partes pobladas del planeta (siete zonas climáticas).
El equipo descubrió que el vidrio que habían desarrollado permitía ahorrar energía tanto en las estaciones cálidas como en las frías, con un rendimiento global de ahorro de energía de hasta el 9,5%, es decir, unos 330.000 kWh al año (energía estimada necesaria para abastecer a 60 hogares de Singapur durante un año) menos que el vidrio de baja emisividad disponible en el mercado en un edificio de oficinas simulado de tamaño medio.
El primer autor del estudio, Wang Shancheng, que es becario de investigación y antiguo estudiante de doctorado del Dr. Long Yi, declaró: "Los resultados demuestran la viabilidad de aplicar nuestro vidrio en todo tipo de climas, ya que es capaz de ayudar a reducir el consumo de energía independientemente de las fluctuaciones estacionales de temperatura, tanto de frío como de calor. Esto diferencia nuestro invento de las actuales ventanas de ahorro energético, que suelen tener un uso limitado en regiones con menos variaciones estacionales". Además, el rendimiento de calefacción y refrigeración de su vidrio puede personalizarse para adaptarse a las necesidades del mercado y la región a la que se destina.
"Podemos hacerlo simplemente ajustando la estructura y la composición del revestimiento especial de nanocompuesto que se coloca en el panel de vidrio, lo que permite que nuestra innovación se utilice potencialmente en una amplia gama de aplicaciones de regulación del calor, y no se limite a las ventanas", dijo el Dr. Long Yi.
El profesor Liangbing Hu, catedrático distinguido Herbert Rabin y director del Centro de Innovación de Materiales de la Universidad de Maryland (EE.UU.), aportó una opinión independiente: "Long y sus colaboradores desarrollaron por primera vez ventanas inteligentes capaces de regular la luz solar en el infrarrojo cercano y el calor en el infrarrojo de onda larga. El uso de esta ventana inteligente podría ser muy importante para el ahorro de energía en los edificios y la descarbonización".
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