La invención de la nanotecnología de la Universidad de Duke podría reducir los costos de refrigeración y calefacción de EE. UU. Hasta en un 20%

DURHAM – Los ingenieros de la Universidad de Duke han demostrado un dispositivo de enfriamiento y calefacción de modo dual para el control del clima de edificios que, si se implementa ampliamente en los EE. UU., Podría reducir el uso de energía HVAC en casi un 20 por ciento.

La invención utiliza una combinación de mecánica y ciencia de los materiales para aprovechar o expulsar ciertas longitudes de onda de luz. Dependiendo de las condiciones, los rodillos mueven una hoja hacia adelante y hacia atrás para exponer los materiales que atrapan el calor en una mitad o los materiales de enfriamiento en la otra. Especialmente diseñado a nanoescala, un material absorbe la energía del sol y atrapa el calor existente, mientras que el otro refleja la luz y permite que el calor se escape a través de la atmósfera terrestre hacia el espacio.

"Creo que somos los primeros en demostrar un contacto térmico reversible, que nos permite cambiar entre los dos modos de calentamiento o enfriamiento", dijo Po-Chun Hsu, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke y líder del equipo. “Esto permite que el material sea movible sin dejar de mantener un buen contacto térmico con el edificio para que entre o deje salir el calor”.

Los resultados aparecieron en línea el 30 de noviembre, en la revista Nature Communications.

Aproximadamente el 15% del consumo de energía en los EE. UU., Y más del 30% a nivel mundial, se destina a la calefacción y refrigeración de edificios, que es responsable de aproximadamente el 10% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Sin embargo, hasta ahora, la mayoría de los enfoques para minimizar la huella de carbono solo han abordado la calefacción o la refrigeración. Eso deja a las zonas de clima templado del mundo que requieren tanto calefacción como refrigeración durante el año, o a veces en una sola 24 horas, en el frío. En el nuevo artículo, Hsu y su equipo demuestran un dispositivo que potencialmente podría mantenernos cómodos o frescos a medida que cambia el clima.

Po-Chun Hus

La hoja especialmente diseñada comienza con un compuesto de polímero como base que puede expandirse o contraerse al hacer pasar electricidad a través de ella. Esto permite que el dispositivo mantenga contacto con el edificio para transmitir energía y, al mismo tiempo, pueda desengancharse para que los rodillos puedan cambiar entre modos.

La parte de enfriamiento de la hoja tiene una película de plata ultrafina cubierta por una capa aún más delgada de silicona transparente, que juntas reflejan los rayos del sol como un espejo. Las propiedades únicas de estos materiales también convierten y emiten energía en luz infrarroja de rango medio, que no interactúa con los gases en la atmósfera de la Tierra y pasa fácilmente al espacio exterior.

Cuando un cambio de clima trae la necesidad de calefacción, la carga eléctrica se libera y los rodillos tiran de la hoja por una pista. Esto cambia la mitad refrigerante y reflectante de la hoja por la mitad absorbente de calor.

Dispositivo dual en modo calefacción que muestra un cuadrado de material que absorbe la energía solar y la transmite al sistema HVAC del edificio.

Para calentar el edificio debajo, los ingenieros utilizaron una capa ultrafina de cobre coronada por una capa de nanopartículas de zinc-cobre. Al hacer que las nanopartículas tengan un tamaño específico y separarlas a una cierta distancia, interactúan con el cobre debajo de ellas de una manera que atrapa la luz en su superficie, lo que permite que el material absorba más del 93% del calor de la luz solar.

Hsu y su equipo ven el dispositivo como algo que podría funcionar con los sistemas HVAC existentes, en lugar de un reemplazo completo.

“En lugar de calentar y enfriar directamente el edificio, podríamos usar un panel de agua para llevar agua fría o caliente a una bomba de calor o sistema de caldera”, dijo Hus. "También imagino que con ingeniería adicional, esto también podría usarse en paredes, formando una especie de envoltura de edificio intercambiable". dijo Hsu.

Dispositivo dual en modo de enfriamiento que muestra un cuadrado de material que refleja la energía solar en el espacio exterior y logra un enfriamiento subambiental.

En el futuro, el equipo está trabajando en varios aspectos del diseño para avanzar de un prototipo a uno escalable para la fabricación. Entre estos, explicó Hsu, se encuentran las preocupaciones sobre el desgaste a largo plazo de las partes móviles y los costos de los materiales especializados. Por ejemplo, investigarán si el aluminio de menor costo puede sustituir a la plata y también están trabajando en una versión estática que puede cambiar de modo químicamente en lugar de mecánicamente.

A pesar de los muchos obstáculos, Hsu cree que esta tecnología podría ser una bendición para el ahorro de energía en el futuro. Y no está solo.

"Ya estamos trabajando con una empresa para determinar las ubicaciones ideales para implementar esta tecnología", dijo Hsu. "Y debido a que casi todas las zonas climáticas de los Estados Unidos requieren calefacción y refrigeración en algún momento del año, las ventajas de un dispositivo de modo dual como este son obvias".

(C) Universidad de Duke