Dispositivo podría proporcionar refrigeración a lugares sin energía



Dispositivo para refrigeración del MIT
Se construyeron y probaron dos versiones del dispositivo diseñado por investigadores del MIT, que utilizan una tira de metal para bloquear la luz solar directa, en el techo de un edificio del MIT para confirmar que podrían proporcionar refrigeración muy por debajo de la temperatura ambiente.

Investigadores del MIT han ideado una nueva forma de proporcionar refrigeración en un día caluroso y soleado. Utilizan materiales económicos y que no requieren energía generada por combustibles fósiles.

Se trata de un sistema pasivo, que podría usarse para complementar otros sistemas de enfriamiento para conservar alimentos y medicamentos en lugares calientes y aislados. Es esencialmente una versión de alta tecnología de un parasol.

El sistema permite el desprendimiento de calor en el rango de luz infrarroja media. Puede pasar directamente a través de la atmósfera e irradiarse hacia el frío del espacio exterior, perforando los gases que actúan como un invernadero. Para evitar el calentamiento de la luz solar directa, una pequeña tira de metal suspendida sobre el dispositivo bloquea los rayos del sol.

El nuevo sistema se describe en la revista Nature Communications. En un artículo del científico investigador Bikram Bhatia, el estudiante graduado Arny Leroy, el profesor de ingeniería mecánica y jefe del departamento Evelyn Wang, el profesor de física Marin Soljacic y otros seis en el MIT.

En teoría, el sistema que diseñaron podría proporcionar un enfriamiento de hasta 20 grados centígrados por debajo de la temperatura ambiente, según los investigadores. Hasta ahora, en sus pruebas iniciales de prueba de concepto, han logrado un enfriamiento de 6 C. Para aplicaciones que requieren aún más enfriamiento, el resto podría lograrse a través de sistemas de refrigeración convencionales o enfriamiento termoeléctrico.

Una alternativa sencilla para evitar la luz solar directa

Otros grupos han intentado diseñar sistemas de enfriamiento pasivo. Los que irradian calor en forma de luz con longitudes de onda de infrarrojo medio. Pero estos sistemas se han basado en dispositivos fotónicos de ingeniería compleja que pueden ser costosos de fabricar. Y no están disponibles para un uso generalizado. decir. Los dispositivos son complejos porque están diseñados para reflejar casi perfectamente todas las longitudes de onda de la luz solar. Y solo para emitir radiación en el rango del infrarrojo medio, en su mayor parte. Esa combinación de reflectividad selectiva y emisividad requiere un material multicapa. Los espesores de las capas se controlan con una precisión nanométrica.

Pero resulta que se puede lograr una selectividad similar. Simplemente se bloquea la luz solar directa con una franja angosta colocada en el ángulo correcto para cubrir la trayectoria del sol. Lo que no requiere un seguimiento activo por parte del dispositivo. Luego, se utiliza un dispositivo simple construido a partir de una combinación de película de plástico de bajo costo, aluminio pulido, pintura blanca y aislamiento.

Puede permitir la emisión necesaria de calor a través de la radiación del infrarrojo medio. Esta es la forma en que los objetos más naturales se enfrían. A la vez se evita que el dispositivo sea calentado por la luz solar directa. De hecho, los sistemas de refrigeración por radiación simples se han utilizado desde la antigüedad para lograr la refrigeración nocturna; El problema era que tales sistemas no funcionaban durante el día. El efecto de calentamiento de la luz solar era al menos 10 veces más fuerte que el efecto de enfriamiento máximo alcanzable.

La sombra es parte importante en el proceso de refrigeración

Pero los rayos de calor del sol viajan en línea recta y se bloquean fácilmente. Por ejemplo, como experimentamos al entrar en la sombra de un árbol en un día caluroso. Se sombrea el dispositivo esencialmente poniendo un paraguas sobre él. Y complementándolo con un aislamiento alrededor para protegerlo de la temperatura del aire ambiente. Como resultado los investigadores hicieron que el enfriamiento pasivo fuera más viable.

“Construimos la configuración e hicimos experimentos al aire libre en una azotea del MIT”, dice Bhatia. “Se hizo con materiales muy simples” y mostró claramente la efectividad del sistema.

“Es un tanto engañosamente simple”, dice Wang. “Se tienen por separado una sombra y un emisor a la atmósfera, dos componentes que pueden tener un costo relativamente bajo. Entonces el sistema no requiere una capacidad especial para emitir y absorber selectivamente. Estamos utilizando selectividad angular para permitir el bloqueo a el sol directo. Mientras continuamos emitiendo las longitudes de onda que transportan calor hacia el cielo”.

Este proyecto “nos inspiró a replantearnos sobre el uso de la ‘sombra'”. Dice Yichen Shen, asociado a la investigación y coautor del artículo. “En el pasado, la gente solo había estado pensando en usarla para reducir el calentamiento. Pero ahora, sabemos que si se usa la sombra de manera inteligente junto con un filtro de luz de apoyo, en realidad se puede usar para enfriar el objeto”, dice.

La humedad ambiental es un factor importante

Un factor limitante para el sistema es la humedad en la atmósfera, dice Leroy. Puede bloquear parte de la emisión de infrarrojos a través del aire. En un lugar como Boston, cerca del océano y relativamente húmedo, esto limita la cantidad total de enfriamiento que se puede lograr. Lo hace a unos 20 grados centígrados. Pero en entornos más secos, desérticos o áridos de todo el mundo, el enfriamiento máximo alcanzable podría ser mucho mayor, señala. Potencialmente tanto como 40 C.

La mayoría de las investigaciones sobre enfriamiento radiativo se han centrado en sistemas más grandes. Podrían aplicarse para enfriar habitaciones o edificios enteros. Pero este enfoque es más localizado, dice Wang. “Esto sería útil para aplicaciones de refrigeración, como el almacenamiento de alimentos o vacunas”. De hecho, la protección de las vacunas y otros medicamentos contra el deterioro en condiciones tropicales cálidas ha sido un gran desafío continuo. Y esta tecnología podría estar bien posicionada para enfrentarlo.

Incluso si el sistema no fuera suficiente para bajar la temperatura hasta los niveles necesarios. “Al menos podría reducir las cargas” en los sistemas de refrigeración eléctrica. Las que proporcionarían solo el bit final de enfriamiento, dice Wang.

Utilidades y desafíos

El sistema también podría ser útil para algunos tipos de sistemas fotovoltaicos concentrados. Donde los espejos se utilizan para enfocar la luz solar en una célula solar para aumentar su eficiencia. Pero tales sistemas pueden sobrecalentarse fácilmente y generalmente requieren una gestión térmica activa con fluidos y bombas. En su lugar, la parte trasera de tales sistemas de concentración podría equiparse con las superficies emisivas de infrarrojo medio utilizadas en el sistema de enfriamiento pasivo. Así se conseguiría controlar el calentamiento sin ninguna intervención activa.

A medida que continúan trabajando para mejorar el sistema, el mayor desafío es encontrar maneras de mejorar el aislamiento del dispositivo. Evitar que se caliente demasiado del aire circundante, sin bloquear su capacidad de irradiar calor. “El principal desafío es encontrar material aislante que sea transparente al infrarrojo”, dice Leroy.

El equipo ha solicitado patentes sobre la invención. Y espera que pueda comenzar a encontrar aplicaciones en el mundo real con bastante rapidez.


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