Para combatir el calor del verano, los edificios de oficinas y residenciales suelen subir el aire acondicionado, lo que dispara las facturas de energía. De hecho, se estima que los aparatos de aire acondicionado utilizan alrededor del 6 por ciento de toda la electricidad producida en Estados Unidos, con un costo anual de 29.000 millones de dólares, un gasto que seguramente crecerá a medida que suba el termostato global.
Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado una película que rechaza el calor y que podría aplicarse a las ventanas de un edificio para reflejar hasta el 70 por ciento del calor solar entrante. La película puede mantenerse muy transparente por debajo de 32 grados Celsius, o 89 grados Fahrenheit. Por encima de esta temperatura, según los investigadores, la película actúa como un «sistema autónomo» para rechazar el calor. Calculan que, si todas las ventanas orientadas al exterior de un edificio se cubrieran con esta película, los costos de aire acondicionado y energía del edificio podrían reducirse un 10 por ciento.
La película es similar a un film plástico transparente, y sus propiedades de rechazo de calor provienen de diminutas micropartículas incrustadas en su interior. Estas micropartículas están hechas de un tipo de material de cambio de fase que se contrae cuando se expone a temperaturas de 85 grados Fahrenheit o más. En sus configuraciones más compactas, las micropartículas dan a la película, normalmente transparente, un aspecto más translúcido o esmerilado.
Aplicada a las ventanas en verano, la película podría enfriar pasivamente un edificio sin dejar de permitir la entrada de una buena cantidad de luz. Nicholas Fang, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, afirma que el material ofrece una alternativa asequible y eficiente energéticamente a las tecnologías de ventanas inteligentes existentes.
«Las ventanas inteligentes que hay actualmente en el mercado no son muy eficientes para rechazar el calor del sol o, como algunas ventanas electrocrómicas, pueden necesitar más energía para funcionar, por lo que estarías pagando básicamente para volver opacas las ventanas», afirma Fang. «Pensamos que podría haber espacio para nuevos materiales ópticos y recubrimientos que ofrezcan mejores opciones de ventanas inteligentes».
Fang y sus colegas, entre ellos investigadores de la Universidad de Hong Kong, han publicado sus resultados en la revista Joule.
«Una red de pesca en el agua»
Hace poco más de un año, Fang comenzó a colaborar con investigadores de la Universidad de Hong Kong, que estaban interesados en encontrar formas de reducir el consumo energético de los edificios de la ciudad, especialmente en los meses de verano, cuando la región se calienta notoriamente y el uso de aire acondicionado alcanza su máximo.
«Afrontar este desafío es fundamental para un área metropolitana como Hong Kong, que tiene un plazo estricto para el ahorro energético», afirma Fang, refiriéndose al compromiso de Hong Kong de reducir su consumo energético un 40 por ciento para 2025.
Tras algunos cálculos rápidos, los estudiantes de Fang descubrieron que una parte significativa del calor de un edificio entra por las ventanas, en forma de luz solar.
«Resulta que, por cada metro cuadrado, unos 500 vatios de energía en forma de calor entran por una ventana gracias a la luz solar», afirma Fang. «Eso equivale a unas cinco bombillas».
Fang, cuyo grupo estudia las propiedades de dispersión de la luz de materiales exóticos de cambio de fase, se preguntó si tales materiales ópticos podrían fabricarse para ventanas, para reflejar pasivamente una parte significativa del calor entrante de un edificio.
Los investigadores revisaron la literatura en busca de materiales «termocrómicos», es decir, materiales sensibles a la temperatura que cambian temporalmente de fase, o de color, en respuesta al calor. Finalmente se decantaron por un material fabricado con micropartículas de clorhidrato de poli (N-isopropilacrilamida)-2-aminoetilmetacrilato. Estas micropartículas se parecen a diminutas esferas transparentes entrelazadas con fibras y están llenas de agua. A temperaturas de 85 F o más, las esferas básicamente expulsan toda su agua y se contraen formando haces compactos de fibras que reflejan la luz de otra manera, volviendo translúcido el material.
«Es como una red de pesca en el agua», afirma Fang. «Cada una de esas fibras que forman la red, por sí sola, refleja cierta cantidad de luz. Pero como hay mucha agua incrustada en la red, cada fibra es más difícil de ver. Pero una vez que se exprime el agua, las fibras se vuelven visibles».
En experimentos anteriores, otros grupos habían descubierto que, aunque las partículas contraídas podían rechazar la luz relativamente bien, eran menos eficaces para proteger contra el calor. Fang y sus colegas se dieron cuenta de que esta limitación se debía al tamaño de las partículas: las partículas utilizadas anteriormente se contraían hasta un diámetro de unos 100 nanómetros, menor que la longitud de onda de la luz infrarroja, lo que facilitaba que el calor atravesara la película.
En cambio, Fang y sus colegas ampliaron la cadena molecular de cada micropartícula, de modo que, al contraerse en respuesta al calor, el diámetro de la partícula era de unos 500 nanómetros, lo que, según Fang, es «más compatible con el espectro infrarrojo de la luz solar».
Una diferencia de confort
Los investigadores crearon una solución de las micropartículas que bloquean el calor, que aplicaron entre dos láminas de vidrio de 12 por 12 pulgadas para crear una ventana recubierta con película. Dirigieron luz de un simulador solar hacia la ventana para imitar la luz solar entrante y comprobaron que la película se empañaba en respuesta al calor. Al medir la irradiancia solar transmitida al otro lado de la ventana, los investigadores comprobaron que la película podía rechazar el 70 por ciento del calor producido por la lámpara.
El equipo también forró una pequeña cámara calorimétrica con la película que rechaza el calor y midió la temperatura interior de la cámara mientras dirigía luz de un simulador solar a través de la película. Sin la película, la temperatura interior subió hasta unos 102 F, «casi la temperatura de una fiebre alta», señala Fang. Con la película, la cámara interior se mantuvo en un nivel más tolerable de 93 F.
«Es una gran diferencia», afirma Fang. «Se puede marcar una gran diferencia en el confort».
«Las ventanas han sido uno de los principales cuellos de botella de la eficiencia de los edificios», afirma Xiaobo Yin, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Colorado en Boulder. «Las ventanas inteligentes que regulan la captación de energía solar podrían cambiar las reglas del juego. Una gran ventaja de este trabajo son los materiales utilizados, que mejoran sustancialmente la aplicabilidad y la fabricabilidad de las ventanas inteligentes».
De cara al futuro, el equipo planea realizar más pruebas de la película para ver si modificar su fórmula y aplicarla de otras maneras podría mejorar sus propiedades de protección contra el calor.
