Resumen:
En la estructura global del consumo de energía, la demanda de calefacción y refrigeración representa casi la mitad del consumo de energía, y esta demanda continúa aumentando. Durante más de un siglo, los refrigeradores, acondicionadores de aire y sistemas de refrigeración de centros de datos tradicionales han dependido casi exclusivamente de compresores accionados eléctricamente y refrigerantes en flujo para transferir calor. Muchos refrigerantes tradicionales también son gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global.
Hoy, un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) en Alemania y la Universidad de Tsukuba en Japón ha logrado un gran avance y ha desarrollado con éxito el primer prototipo del mundo de un sistema de refrigeración de estado sólido impulsado enteramente por energía térmica, realizando una nueva ruta técnica que elimina los motores eléctricos y convierte directamente el calor residual o la energía solar en energía fría.
Este sistema supera el cuello de botella clave del "enfriamiento elastocalórico", una tecnología de refrigeración de estado sólido de vanguardia. Como alternativa prometedora a la refrigeración por compresión tradicional, las aleaciones con memoria de forma se enfrían cuando se libera la carga mecánica aplicada; sin embargo, antes de esto, los sistemas de refrigeración elastoméricos existentes todavía dependían de actuadores accionados eléctricamente para proporcionar fuerza mecánica externa, lo que impedía que la tecnología utilizara directamente el calor residual o la energía solar fácilmente disponibles del entorno.
El nuevo diseño del equipo conjunto revoluciona este mecanismo de potencia, reemplazando los actuadores eléctricos tradicionales por la propia "energía térmica". El núcleo del sistema reside en la ingeniosa combinación de dos películas ultrafinas de aleación con memoria de forma de níquel y titanio con diferentes divisiones del trabajo: la primera película actúa como un actuador térmico, se contrae utilizando el efecto de memoria de forma cuando se calienta y convierte directamente la energía térmica en trabajo mecánico sin necesidad de un motor; este movimiento de desplazamiento actúa luego sobre la segunda película que desempeña una función de refrigeración. Al cargarlo y descargarlo periódicamente, provoca cambios reversibles en la estructura cristalina del material, generando así energía fría continuamente.
El proyecto de investigación está dirigido por el Dr. Jingyuan Xu, jefe del joven equipo de investigación del Laboratorio de Energía Térmica ZEco del Instituto KIT de Tecnología de Microestructura (IMT). Señaló que la innovación clave de este avance es combinar dos funciones complementarias de la aleación con memoria de forma: una película es responsable de convertir la energía térmica en trabajo mecánico y la otra película convierte el trabajo mecánico en energía fría. Este diseño establece un nuevo paradigma de accionamiento de refrigeración de estado sólido, abriendo posibilidades prometedoras para la utilización eficiente del calor residual y la energía solar.
Los datos experimentales muestran que el dispositivo prototipo demostró con éxito efectos de enfriamiento mensurables en pruebas de laboratorio. Cuando el actuador está a una temperatura de 86 grados Celsius, se logra una diferencia de temperatura de 4 grados Celsius en todo el nivel del componente, mientras que el cambio de temperatura del propio refrigerante elástico es cercano a 13 grados Celsius. Además, los investigadores introdujeron una fuente de calor externa de 130 grados Celsius para probarlo, y el sistema también mantuvo un funcionamiento estable y confiable, demostrando plenamente la viabilidad de la tecnología para igualar la fuente de calor en un entorno industrial real. Yi-Ting Hsiau, primer autor del artículo e investigador doctoral en KIT, afirmó que poder medir con los propios ojos la energía fría realmente producida por el sistema de propulsión térmica es un momento muy decisivo, lo que confirma que el principio teórico no es de ningún modo sólo un trozo de papel.
El dispositivo prototipo que se fabrica actualmente se utiliza principalmente para la verificación del concepto y la demostración de viabilidad, y aún no se ha optimizado para obtener la máxima capacidad de refrigeración. Actualmente, el equipo de investigación está intentando aumentar exponencialmente la capacidad de enfriamiento general del sistema extendiendo múltiples capas de películas en paralelo. A medida que la tecnología madura gradualmente y se miniaturiza, sus futuros escenarios de aplicación son muy amplios: los procesadores de computadora o las unidades de servidor pueden "utilizar el calor residual que emiten para enfriarse". El calor residual generado por el sistema de propulsión del automóvil también se puede convertir directamente en una fuente de energía de refrigeración para componentes electrónicos sensibles del automóvil. El equipo de investigación científica afirmó que este logro es sólo el comienzo. En el futuro, con la expansión del sistema y la implementación de un diseño compacto, se espera que la enorme cantidad de calor residual ambiental que se puede ver en todas partes se convierta en recursos de refrigeración ecológicos y sostenibles.
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