por
El sistema, que combina enfriamiento por radiación, enfriamiento por evaporación y aislamiento térmico en un paquete delgado que podría parecerse a los paneles solares existentes, puede proporcionar hasta aproximadamente 19 grados Fahrenheit (9,3 grados Celsius) de enfriamiento a temperatura ambiente, suficiente para permitir alimentos seguros. almacenamiento durante aproximadamente un 40 por ciento más en condiciones muy húmedas. Esto podría triplicar el tiempo de almacenamiento seguro en condiciones más secas.
Los resultados se publican hoy en la revista Informes de células de ciencias físicas, en un artículo del posdoctorado del MIT Zhengmao Lu, Arny Leroy PhD ’21, los profesores Jeffrey Grossman y Evelyn Wang, y otros dos. Aunque se necesita más investigación para reducir el costo de un componente clave del sistema, los investigadores dicen que dicho sistema eventualmente podría desempeñar un papel importante para satisfacer las necesidades de refrigeración de muchas partes del mundo donde la falta de electricidad o agua limita el uso de sistemas de refrigeración convencionales.
El sistema combina de manera inteligente diseños de enfriamiento autónomos anteriores que proporcionan cantidades limitadas de potencia de enfriamiento, para producir un enfriamiento significativamente mayor en general, suficiente para ayudar a reducir la pérdida de alimentos debido al deterioro en áreas del mundo que ya sufren de un suministro de alimentos limitado. En reconocimiento de este potencial, el equipo de investigación contó con el apoyo parcial del Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab del MIT.
«Esta tecnología combina algunas de las buenas características de las tecnologías anteriores, como el enfriamiento por evaporación y el enfriamiento por radiación”, dice Lu. Al usar esta combinación, dice, «demostramos que puede lograr una extensión significativa de la vida incluso en áreas donde hay mucha humedad. «, lo que limita las capacidades de los sistemas de enfriamiento evaporativos o radiativos convencionales.
En lugares que tienen sistemas de aire acondicionado existentes en edificios, el nuevo sistema podría usarse para reducir significativamente la carga en esos sistemas al enviar agua fría a la parte más caliente del sistema, el condensador. «Al bajar la temperatura del condensador, puede aumentar efectivamente la eficiencia del acondicionador de aire, lo que podría ahorrarle energía», dice Lu.
Otros grupos también han investigado tecnologías de enfriamiento pasivo, dice, pero «al combinar estas características de forma sinérgica, ahora podemos lograr un alto rendimiento de enfriamiento incluso en áreas de alta humedad donde la tecnología anterior generalmente no puede funcionar bien».
El sistema consta de tres capas de material que juntas brindan enfriamiento a medida que el agua y el calor pasan a través del dispositivo. En la práctica, el dispositivo podría parecerse a un panel solar convencional, pero en lugar de suministrar electricidad, proporcionaría refrigeración directamente, por ejemplo, actuando como el techo de un contenedor de almacenamiento de alimentos. O bien, podría usarse para enviar agua fría a través de tuberías para enfriar partes de un sistema de aire acondicionado existente y mejorar su eficiencia. El único mantenimiento que se requiere es agregar agua para la evaporación, pero el consumo es tan bajo que solo se debe realizar una vez cada cuatro días en las zonas más cálidas y secas, y una vez al mes en las zonas más húmedas.
La capa superior es un aerogel, un material compuesto principalmente de aire atrapado en las cavidades de una estructura similar a una esponja de polietileno. El material es altamente aislante pero deja pasar libremente el vapor de agua y la radiación infrarroja. La evaporación del agua (que asciende desde la capa inferior) proporciona parte del poder de enfriamiento, mientras que la radiación infrarroja, aprovechando la extrema transparencia de la atmósfera terrestre en estas longitudes de onda, irradia parte del calor directamente al aire y al espacio. — a diferencia de los acondicionadores de aire, que expulsan aire caliente al entorno inmediato.
Debajo del aerogel hay una capa de hidrogel, otro material similar a una esponja, pero cuyos poros están llenos de agua en lugar de aire. Es similar al material que se utiliza actualmente comercialmente para productos como compresas refrescantes o vendajes para heridas. Esto proporciona la fuente de agua para el enfriamiento por evaporación, ya que se forma vapor de agua en su superficie y el vapor pasa a través de la capa de aerogel hacia el entorno.
Debajo, una capa similar a un espejo refleja la luz solar entrante que la alcanza, rebotándola a través del dispositivo en lugar de permitir que caliente los materiales y, por lo tanto, reduzca su carga de calor. Y la capa superior de aerogel, al ser un buen aislante, también refleja mucho la luz solar, lo que limita la cantidad de calor solar que recibe el dispositivo, incluso con luz solar intensa y directa.
«La novedad aquí es realmente reunir la función de enfriamiento por radiación, la función de enfriamiento por evaporación y también la función de aislamiento térmico en una sola arquitectura», dice Lu. El sistema fue probado, utilizando una versión pequeña de solo 4 pulgadas de diámetro, en el techo de un edificio del MIT, demostrando ser efectivo incluso en condiciones climáticas subóptimas, dice Lu, y alcanzando un enfriamiento de 9.3 C (18.7 F).
«El desafío solía ser que los materiales evaporativos a menudo no manejan bien la absorción solar», dice Lu. Lograr una alta potencia de enfriamiento a temperatura ambiente».
Las propiedades del material de aerogel son críticas para la eficiencia general del sistema, pero este material es actualmente costoso de producir, ya que requiere un equipo especial de secado de punto crítico (CPD) para eliminar lentamente los solventes de la delicada estructura porosa sin dañarla. La característica clave que debe controlarse para proporcionar las características deseadas es el tamaño de poro del aerogel, que se logra mezclando polietileno con solventes, permitiendo que se endurezca como un tazón de gelatina y luego extrayendo los solventes de él. Actualmente, el equipo de investigación está explorando formas de hacer que este proceso de secado sea menos costoso, como el uso de liofilización o la búsqueda de materiales alternativos que puedan proporcionar la misma función aislante a un costo menor, como membranas separadas por un espacio entre el aire.
Si bien los otros materiales utilizados en el sistema están fácilmente disponibles y son relativamente económicos, dice Lu, «el aerogel es el único material que es un producto de laboratorio que requiere un mayor desarrollo en términos de producción en masa». Y es imposible predecir cuánto tiempo podría tomar ese desarrollo antes de que este sistema pueda volverse práctico para un uso generalizado, dice.
Este trabajo «representa un enfoque de integración de sistemas muy interesante y novedoso para las tecnologías de enfriamiento pasivo», dice Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue, que no participó en esta investigación. Ruan agrega: «Al combinar el enfriamiento por evaporación, el enfriamiento por radiación y el aislamiento, proporciona un mejor rendimiento de enfriamiento y puede ser efectivo en una gama más amplia de climas que el enfriamiento por evaporación o el enfriamiento por radiación solos. Podría atraer importantes aplicaciones prácticas, como en la conservación de alimentos, si el sistema se puede fabricar a un costo razonable».
El equipo de investigación incluyó a Lenan Zhang del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y Jatin Patil del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
