Enfriando bajo presión

Dr. Xavier Moya

La creación del primer refrigerador industrial en los años 1850 por Charles Tellier, basado en la compresión y descompresión de un gas inflamable (amoníaco, NH3), nos ha permitido conservar alimentos en frío en nuestros hogares, transportar medicamentos y vacunas de forma segura, así como gozar de aire acondicionado en climas cálidos. A pesar del indiscutible éxito de dicha tecnología, la necesidad de reemplazar gases nocivos para el medio ambiente, así como de aumentar la eficiencia energética de neveras y aires acondicionados, ha llevado a la búsqueda intensa de tecnologías alternativas basadas en materiales sólidos.

Entre los materiales sólidos más prometedores para aplicaciones en refrigeración se encuentran los llamados materiales calóricos. Estos materiales poseen la particularidad de cambiar de fase sólida cuando se aplica un campo magnético, eléctrico o mecánico, lo que permite ceder o absorber calor. La física detrás de dichas transiciones en estado sólido es similar a la que se encuentra detrás de los cambios de estado de gases usados en los sistemas de refrigeración convencionales, pero en este último caso los cambios de fase son entre las fases líquida y gaseosa, siendo esta última de difícil confinamiento y por tanto perjudicial para el medio ambiente cuando se producen emisiones a la atmosfera, ya que los gases usados en refrigeración producen efecto invernadero y destruyen la capa de ozono.

Quizás el mejor ejemplo de material calórico es un simple globo de caucho. En su estado normal, el globo está compuesto de una red desordenada de cadenas de polímeros, de manera semejante a un plato de espagueti. Al deformar el globo, las cadenas de polímeros se alinean en la dirección de la fuerza aplicada, aumentando de esta manera el grado de ordenación interna de las cadenas, y disminuyendo la cantidad que en las ciencias físicas se conoce como entropía, la cual representa el grado de ordenación de una substancia. Si el globo se deforma muy rápidamente, el dicho cambio en la estructura interna lleva a un aumento de la temperatura del globo que se puede detectar fácilmente con los labios (por favor intenten esto en sus casas!), o de manera más sofisticada con una cámara de infrarrojos. Una vez que el globo recupera su temperatura inicial, al devolverlo a su forma original el globo se enfría notablemente, y es en este momento que podemos usarlo para enfriar otro objeto.

Los materiales calóricos bajo campo magnético y campo eléctrico aplicado han sido desarrollados intensamente en laboratorios de todo el mundo durante los últimos veinte años. A pesar de ello, su implantación práctica parece aún lejana debido a serios impedimentos: generar campos magnéticos elevados tiene un elevado coste y los efectos electrocalóricos sólo son grandes en láminas muy delgadas. Con el objetivo de solucionar estas dificultades, el foco de atención en materiales calóricos se está centrando en materiales que operan bajo esfuerzos mecánicos, y en particular bajo presión hidrostática. Sin embargo, hasta hace poco existía un número muy limitado de materiales barocalóricos controlados mediante presión hidrostática, la mayoría magnéticos y formados por elementos económicamente inviables desde el punto de vista práctico. Pero las cosas están cambiando.

Esta figura muestra la capacidad refrigerante de los mejores materiales barocalóricos existentes, en función de la presión atmosférica aplicada (0.1 GPa = 1000 atmósferas).

Mi grupo de investigación en la Universidad de Cambridge está desarrollando nuevos tipos de materiales barocalóricos formados por elementos baratos y altamente abundantes en la Tierra. Nuestro primer descubrimiento apareció en sales de sulfato de amonio [(NH4)2SO4], un material económico (€0.06 per gram) formado por elementos abundantes en la naturaleza, tradicionalmente utilizado como fertilizante en agricultura. La respuesta barocalórica de este material sobrepasa la respuesta de los materiales barocalóricos magnéticos existentes (ver figura), y por tanto abre una nueva etapa muy prometedora en el descubrimiento de nuevos materiales sólidos para refrigeración respetuosa con el medio ambiente.

Por Dr. Xavier Moya, Royal Society University Research Fellow, Departamento de Ciencia de los Materiales & Metalurgia, Universidad de Cambridge. SRUK Delegacion de Cambridge.

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