Los científicos han desarrollado un prototipo de dispositivo más ecológico que algún día podría reemplazar los acondicionadores de aire existentes.
El verano está en pleno apogeo en los Estados Unidos y la gente está bajando los termostatos de sus acondicionadores de aire para combatir el calor. Sin embargo, los refrigerantes de hidrofluorocarbono en estos y otros dispositivos de enfriamiento son potentes gases de efecto invernadero y los principales impulsores del cambio climático. Hoy, los científicos informan sobre un dispositivo prototipo que podría reemplazar los “aires acondicionados” existentes en el futuro. Utiliza refrigerantes sólidos para enfriar un espacio de manera eficiente y es mucho más amigable con el medio ambiente.
Los investigadores presentaron sus resultados ayer (23 de agosto de 2022) en la reunión de otoño de la American Chemical Society (ACS). ACS Fall 2022 es una reunión híbrida que se lleva a cabo virtualmente y en persona del 21 al 25 de agosto, con acceso a pedido disponible del 26 de agosto al 9 de septiembre. La reunión presenta casi 11,000 presentaciones sobre una amplia gama de temas científicos.
“Simplemente instalar un acondicionador de aire o desecharlo es un gran impulsor del calentamiento global”, dice Adam Slavney, Ph.D., quien presenta este trabajo en la reunión. Como gases de efecto invernadero, los refrigerantes utilizados en estos sistemas son miles de veces más potentes que el dióxido de carbono. Pueden filtrarse accidentalmente de los sistemas cuando se manipulan o desechan.
Un prototipo de sistema de refrigeración utiliza nuevos materiales barocalóricos de estado sólido. Crédito: Adam Slavney
Los refrigerantes en los sistemas de enfriamiento convencionales, como los de los acondicionadores de aire, funcionan cíclicamente entre los estados de ser un gas y un líquido. Cuando un líquido se convierte en gas, se expande y absorbe calor, enfriando una habitación o el interior de un refrigerador. El gas es forzado a convertirse en líquido por un compresor que opera entre 70 y 150 libras por pulgada cuadrada (psi), que libera calor. Este calor se dirige hacia el exterior de la vivienda, en el caso de los acondicionadores de aire. Este calor se envía fuera de la casa cuando se usa un acondicionador de aire. A pesar de que este ciclo es eficiente y efectivo, las preocupaciones sobre el calentamiento global y las restricciones más estrictas sobre los refrigerantes de hidrofluorocarbono están impulsando la búsqueda de alternativas más ecológicas.
Una solución ideal podrían ser los refrigerantes sólidos. A diferencia de los gases, los sólidos no se filtrarán al medio ambiente desde las unidades de aire acondicionado. Una clase de refrigerantes sólidos, llamados materiales barocalóricos, funcionan de manera similar a los sistemas de enfriamiento de gas-líquido tradicionales. Usan cambios de presión para pasar por ciclos de calor, pero en este caso, la presión impulsa un cambio de fase de sólido a sólido. Eso significa que el material permanece sólido, pero la estructura molecular interna cambia.
El aspecto estructural clave de estos materiales sólidos barocalóricos es que contienen cadenas moleculares largas y flexibles que suelen ser flojas y desordenadas. Pero bajo presión, las cadenas se vuelven más ordenadas y rígidas, un cambio que libera calor. El proceso de pasar de una estructura ordenada a una relajada es como cera derretida, pero sin que se vuelva líquida, dice Jarad Mason, Ph.D., el investigador principal del proyecto, que se encuentra en la Universidad de Harvard. Cuando se libera la presión, el material reabsorbe calor, completando el ciclo.
Sin embargo, existe una gran desventaja en los sistemas barocalóricos. Es decir, la mayoría de estos materiales requieren presiones masivas para impulsar los ciclos de calor. Para producir estas presiones, los sistemas necesitan equipos costosos y especializados que no son prácticos para las aplicaciones de enfriamiento del mundo real. Mason y su equipo informaron recientemente sobre materiales barocalóricos que pueden actuar como refrigerantes a presiones mucho más bajas. Ahora han demostrado que los refrigerantes, llamados perovskitas de halogenuros metálicos, pueden funcionar en un sistema de refrigeración que han construido desde cero. Según Slavney, “los materiales que informamos pueden circular a aproximadamente 3000 psi, que son presiones a las que puede funcionar un sistema hidráulico típico”.
El equipo de investigación ahora ha construido un prototipo único en su tipo que demuestra el uso de estos nuevos materiales en un sistema de enfriamiento práctico. El dispositivo tiene tres partes principales. Uno es un tubo de metal lleno de refrigerante sólido y un líquido inerte, agua o aceite. Otra pieza del dispositivo es un pistón hidráulico que aplica presión al líquido. Finalmente, el líquido ayuda a transferir esa presión al refrigerante y ayuda a transportar el calor a través del sistema.
Después de resolver varios desafíos de ingeniería, el equipo demostró que los materiales barocalóricos funcionan como refrigerantes funcionales, convirtiendo los cambios de presión en ciclos completos de cambio de temperatura. “Nuestro sistema aún no utiliza presiones tan bajas como las de los sistemas de refrigeración comercial, pero nos estamos acercando”, dice Mason. Según el conocimiento del equipo, este es el primer sistema de refrigeración en funcionamiento que utiliza refrigerantes de estado sólido que dependen de los cambios de presión.
Con el dispositivo ahora en la mano, los investigadores planean probar una variedad de materiales barocalóricos. “Realmente esperamos usar esta máquina como banco de pruebas para ayudarnos a encontrar materiales aún mejores”, dice Slavney, incluidos los que funcionan a presiones más bajas y que conducen mejor el calor. Con un material óptimo, los científicos creen que los refrigerantes de estado sólido podrían convertirse en un reemplazo viable para el aire acondicionado actual y otras tecnologías de refrigeración.
El apoyo y la financiación para la investigación provinieron del Centro de Ingeniería e Investigación de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Harvard, el Fondo de Soluciones para el Cambio Climático de Harvard y la Fundación Arnold y Mabel Beckman.
Título
Materiales para la práctica refrigeración barocalórica de estado sólido: un químico (re)inventa un acondicionador de aire
Resumen
El aire acondicionado basado en la compresión de vapor ha madurado durante el último siglo hasta convertirse en una tecnología altamente eficiente que es esencial para la vida moderna. Sin embargo, los refrigerantes de hidrofluorocarbono fundamentales para esta tecnología son potentes gases de efecto invernadero, de una a cinco mil veces más efectivos que el CO2. La liberación no intencional de estos refrigerantes a la atmósfera durante la instalación, el mantenimiento y la eliminación del aire acondicionado es actualmente responsable de ca. 4% del calentamiento global en todo el planeta y se espera que aumente al 10% de todo el calentamiento para 2050. Para eliminar esta fuente de emisiones atmosféricas, nos enfocamos en desarrollar materiales barocalóricos de estado sólido que puedan servir como reemplazos directos de los hidrofluorocarbonos en acondicionadores de aire y otras aplicaciones de bombas de calor. Estos sólidos funcionan con el mismo ciclo termodinámico impulsado por la presión que los compresores de vapor, pero utilizan una transición de fase sólido-sólido para almacenar y liberar calor en lugar de la transición líquido-vapor tradicional. Se han propuesto muchos compuestos diferentes como posibles materiales barocalóricos, sin embargo, una combinación de baja sensibilidad a la presión de transición y alta histéresis de transición significa que la mayoría requiere presiones muy altas, superiores a 1000 bar, para lograr un enfriamiento eficiente. Recientemente hemos descubierto una nueva y prometedora familia de barocalóricos: perovskitas de haluros en capas con largas colas de alquil amonio. Estos experimentan transiciones de desorden de orden sólido-sólido dentro de la subred de alquilo que son análogas a la fusión de n-alcanos simples, aunque confinados a dos dimensiones por la estructura de perovskita en capas. Las transiciones de perovskita en capas ocurren cerca de la temperatura ambiente con alta sensibilidad a la presión e histéresis extremadamente baja, mientras se mantienen entropías de transición moderadamente altas. Esta combinación de propiedades permite que las perovskitas en capas realicen un enfriamiento barocalórico eficiente con un cambio de presión de 200 bar o menos, lo que se puede lograr con sistemas hidráulicos estándar. Para demostrar esto en la práctica, diseñamos y construimos un prototipo de dispositivo barocalórico personalizado y logramos un enfriamiento barocalórico eficiente a presiones moderadas por primera vez. Discutiré nuestro progreso actual, los desafíos actuales y las direcciones futuras de este trabajo.
