Enfriamiento por evaporación y radiación: no se requiere energía (pero el aerogel debe ser más barato)

28 de septiembre de 2022 por David Chandler

Es bien sabido que la evaporación y la radiación son dos formas de mantener algo fresco.David Chandler en el MITexplica cómo los investigadores han creado un experimentoCélula de 3 capas que combina evaporación y radiación con un aislante para brindar enfriamiento que no necesita energía . Puede proporcionar alrededor9°C de enfriamiento de la temperatura ambiente, lo suficiente como para permitir el almacenamiento seguro de alimentos durante aproximadamente un 40 % más en condiciones de mucha humedad, y podría triplicar el tiempo de almacenamiento seguro en condiciones más secas. Las aplicaciones son ideales pararegiones remotas fuera de la reddel mundo, sino también paraquitando la carga del aire acondicionado existente . El principal desafío de cara al futuro es laalto costo de hacer la capa de aerogel– un material que consiste principalmente en aire encerrado en las cavidades de una estructura similar a una esponja hecha de polietileno.

A medida que el mundo se calienta,Se prevé que el uso de sistemas de aire acondicionado que consumen mucha energía aumente significativamente, lo que ejercerá presión sobre las redes eléctricas existentes.ypasar por alto muchos lugares con poca o ninguna energía eléctrica confiable . Ahora, un sistema innovador desarrollado en el MIT ofrece una forma de utilizar el enfriamiento pasivo para preservar los cultivos alimentarios y complementar los acondicionadores de aire convencionales en los edificios, consin necesidad de energía y solo una pequeña necesidad de agua.

El sistema, quecombina enfriamiento radiativo, enfriamiento evaporativo y aislamiento térmicoen unpaquete delgado que podría parecerse a los paneles solares existentes, puede proporcionar hasta aproximadamente19 grados Fahrenheit (9,3 grados Celsius) de enfriamiento de la temperatura ambiente , suficiente para permitir el almacenamiento seguro de alimentos durante aproximadamente un 40 por ciento más en condiciones de mucha humedad. Podría triplicar el tiempo de almacenamiento seguro en condiciones de secado.

Los hallazgos se informan hoy en la revistaInformes celulares Ciencias físicas, en un artículo del posdoctorado del MITZhengmao Lu, Arny Leroy, profesores Jeffrey Grossman y Evelyn Wang , y otros dos. Si bien se necesita más investigación para reducir el costo de un componente clave del sistema, los investigadores dicen que eventualmente dicho sistema podría desempeñar un papel importante ensatisfacer 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 ingeniosamente diseños de enfriamiento independientes anteriores que proporcionan cantidades limitadas de potencia de enfriamiento para producir significativamente más enfriamiento en general, suficiente paraayudar a reducir las pérdidas de alimentos por deterioro en partes del mundo que ya sufren de suministros de alimentos limitados . En reconocimiento de ese potencial, el equipo de investigación ha sido apoyado en parte por MIT'sLaboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos de Abdul Latif Jameel.

"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 se puede lograr una extensión significativa de la vida útil de los alimentos,incluso en áreas donde hay mucha humedad", lo que limita las capacidades de los sistemas de enfriamiento por evaporación o radiación convencionales.

En lugares que tienen sistemas de aire acondicionado existentes en edificios, el nuevo sistema podría usarse para reducir significativamente la carga en estos sistemas alenviando agua fría a la parte más caliente del sistema, el condensador . "Al reducir la temperatura del condensador, puede aumentar efectivamente la eficiencia del acondicionador de aire, de modo que pueda ahorrar energía", dice Lu.

Otros grupos también han estado buscando tecnologías de enfriamiento pasivo, dice, pero "al combinar esas características de manera sinérgica, ahora podemos lograr un alto rendimiento de enfriamiento, incluso en áreas de alta humedad donde la tecnología anterior generalmente no puede funcionar bien".

Se probaron dos muestras de dispositivos de enfriamiento pasivo en el techo del Edificio 1 del MIT: A la izquierda, una muestra del nuevo sistema, que combina enfriamiento por evaporación, enfriamiento por radiación y aislamiento. A la derecha, un dispositivo que usa solo enfriamiento por evaporación, para pruebas comparativas / Foto: Cortesía de Zhengmao Lu

El sistema consta detres capas de material , que juntos 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 apagar la electricidad, proporcionaría refrigeración directamente, por ejemplo, medianteactuando como el techo de un contenedor de almacenamiento de alimentos . O bien, podría usarse paraenviar agua fría a través de tuberías para enfriar partes de un sistema de aire acondicionado existente y mejorar su eficiencia. El único mantenimiento requerido esagregando agua para la evaporación, pero el consumo es tan bajo que esto solo se debe hacer aproximadamente una vez cada cuatro días en las áreas más cálidas y secas, y solo una vez al mes en las áreas más húmedas.

La capa superior es un aerogel. , un material que consiste principalmente en aire encerrado en las cavidades de una estructura similar a una esponja hecha de polietileno. el material esaltamente aislante, pero permite el paso libre tanto del vapor de agua como de la radiación infrarroja . La evaporación del agua (que se eleva desde la capa inferior) proporciona parte del poder de enfriamiento, mientras que la radiación infrarroja, aprovechando la extrema transparencia de la atmósfera terrestre en esas longitudes de onda,irradia parte del calor directamente a través del aire y hacia el espacio, a diferencia de los acondicionadores de aire, que arrojan aire caliente al entorno circundante inmediato.

Debajo del aerogel estáuna capa de hidrogel, otro material similar a una esponja, pero cuyos espacios porosos se llenan de agua en lugar de aire . Es similar al material que se usa actualmente comercialmente para productos como compresas refrescantes o vendajes para heridas. Esto proporciona la fuente de agua para el enfriamiento por evaporación, ya que el vapor de agua se forma en su superficie y el vapor pasa a través de la capa de aerogel y sale al medio ambiente.

Debajo de eso,una capa similar a un espejo refleja cualquier luz solar entrante que la haya alcanzado , enviándolo de regreso a través del dispositivo en lugar de dejar que caliente los materiales y, por lo tanto, reduzca su carga térmica. 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 del dispositivo, incluso bajo la luz solar intensa y directa.

"La novedad aquí es realmente soloReuniendo la función de enfriamiento radiativo, la función de enfriamiento por evaporación y también la función de aislamiento térmico, todas juntas en una arquitectura.", explica Lu. El sistema se probó, usando una versión pequeña, de solo 4 pulgadas de ancho, en la azotea de un edificio en el MIT, demostrando su efectividad incluso en condiciones climáticas subóptimas, dice Lu, y logrando 9.3 C de enfriamiento (18.7 F ).

"El desafío anterior era que los materiales evaporativos a menudo no manejan bien la absorción solar.", dice Lu. "Con estos otros materiales, generalmente cuando están bajo el sol, se calientan, por lo que no pueden alcanzar un alto poder de enfriamiento a la temperatura ambiente".

Las propiedades del material de aerogel son clave para la eficiencia general del sistema, pero ese material en la actualidad es costoso de producir, ya querequiere un equipo especial para el secado de punto crítico (CPD) para eliminar los solventes lentamente de la delicada estructura porosa sin dañarla . La característica clave que necesita ser controlada para proporcionar las características deseadas es latamaño de los poros en el aerogel , que se fabrica mezclando el material de polietileno con solventes, dejándolo fraguar como un tazón de gelatina y luego extrayendo los solventes. Actualmente, el equipo de investigación está explorando formas de hacer que este proceso de secado sea más económico, como el secado por congelación, o encontrar materiales alternativos que puedan proporcionar la misma función aislante a un costo menor, como membranas separadas por un espacio de 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 del 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 de tecnologías de enfriamiento pasivo", dice Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue, que no estuvo asociado con esta investigación. Ruan agrega: "Al combinar el enfriamiento por evaporación, el enfriamiento por radiación y el aislamiento, tiene 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. El trabajo podría atraer importantes aplicaciones prácticas, como en conservación de alimentos, si el sistema se puede hacer 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.

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david chandleres un escritor del Instituto enCON

Reimpreso con permiso denoticias del MIT

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