Un nuevo método de refrigeración

Añadir sal a una carretera antes de una tormenta invernal cambia el momento en que se forma el hielo. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía han aplicado este concepto básico para desarrollar un nuevo método de calefacción y refrigeración. La técnica, que han denominado "refrigeración ionocalórica", se describe en un artículo publicado el 23 de diciembre en la revista Science.

La refrigeración ionocalórica aprovecha la forma en que la energía, o el calor, se almacena o se libera cuando un material cambia de fase, por ejemplo, al pasar de hielo sólido a agua líquida. Al fundirse, un material absorbe calor del entorno, mientras que al solidificarse libera calor. El ciclo ionocalórico provoca este cambio de fase y temperatura mediante el flujo de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) que proceden de una sal.

Los investigadores esperan que el método pueda algún día proporcionar calefacción y refrigeración eficientes, que representan más de la mitad de la energía utilizada en los hogares, y ayudar a eliminar gradualmente los actuales sistemas de "compresión de vapor", que utilizan como refrigerantes gases con un alto potencial de calentamiento global. La refrigeración ionocalórica eliminaría el riesgo de que esos gases se escapen a la atmósfera sustituyéndolos por componentes sólidos y líquidos.

"El panorama de los refrigerantes es un problema sin resolver: nadie ha desarrollado con éxito una solución alternativa que enfríe las cosas, funcione con eficacia, sea segura y no dañe el medio ambiente", afirma Drew Lilley, ayudante de investigación en el Laboratorio de Berkeley y doctorando en la UC Berkeley que dirigió el estudio. "Creemos que el ciclo ionocalórico tiene potencial para cumplir todos esos objetivos si se realiza adecuadamente".

Encontrar una solución que sustituya a los refrigerantes actuales es esencial para que los países cumplan los objetivos del cambio climático, como los de la Enmienda de Kigali (aceptada por 145 partes, incluido Estados Unidos en octubre de 2022). El acuerdo compromete a los signatarios a reducir la producción y el consumo de hidrofluorocarburos (HFC) en al menos un 80% en los próximos 25 años. Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que se encuentran habitualmente en frigoríficos y sistemas de aire acondicionado, y pueden atrapar el calor con una eficacia miles de veces superior a la del dióxido de carbono.

El nuevo ciclo ionocalórico se suma a varios otros tipos de refrigeración "calórica" en fase de desarrollo. Estas técnicas utilizan distintos métodos -como magnetismo, presión, estiramiento y campos eléctricos- para manipular materiales sólidos de modo que absorban o liberen calor. La refrigeración ionocalórica se diferencia de la anterior en que utiliza iones para provocar cambios de fase de sólido a líquido. El uso de un líquido tiene la ventaja añadida de que el material se puede bombear, lo que facilita la entrada y salida de calor del sistema, algo con lo que la refrigeración en estado sólido ha tenido problemas.

Lilley y el autor correspondiente, Ravi Prasher, investigador afiliado del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley y profesor adjunto de ingeniería mecánica en la UC Berkeley, expusieron la teoría en la que se basa el ciclo ionocalórico. Calcularon que tiene potencial para competir o incluso superar la eficiencia de los refrigerantes gaseosos de la mayoría de los sistemas actuales.

También demostraron la técnica experimentalmente. Lilley utilizó una sal hecha con yodo y sodio, junto con carbonato de etileno, un disolvente orgánico habitual en las baterías de iones de litio.

"Existe la posibilidad de conseguir refrigerantes que no sólo tengan un GWP [potencial de calentamiento global] cero, sino que tengan un GWP negativo", afirma Lilley. "Un material como el carbonato de etileno podría ser carbono negativo, porque se produce utilizando dióxido de carbono como insumo. Así podríamos utilizar el_CO2 procedente de la captura de carbono".

Al hacer pasar corriente por el sistema, los iones se mueven y cambia el punto de fusión del material. Cuando se funde, el material absorbe calor del entorno, y cuando se retiran los iones y el material se solidifica, devuelve calor. El primer experimento mostró un cambio de temperatura de 25 grados centígrados utilizando menos de un voltio, una elevación de temperatura mayor que la demostrada por otras tecnologías calóricas.

"Hay tres cosas que intentamos equilibrar: el GWP del refrigerante, la eficiencia energética y el coste del propio equipo", explica Prasher. "Desde el primer intento, nuestros datos parecen muy prometedores en estos tres aspectos".

Aunque a menudo se habla de los métodos calóricos por su potencia frigorífica, los ciclos también pueden aprovecharse para aplicaciones como el calentamiento de agua o la calefacción industrial. El equipo de ionocaloric sigue trabajando en prototipos para determinar cómo podría escalarse la técnica para soportar grandes cantidades de refrigeración, mejorar la cantidad de cambios de temperatura que puede soportar el sistema y mejorar la eficiencia.

"Tenemos un ciclo termodinámico y un marco totalmente nuevos que reúnen elementos de distintos campos y hemos demostrado que pueden funcionar", afirma Prasher. "Ahora, es el momento de la experimentación para probar distintas combinaciones de materiales y técnicas que permitan superar los retos de ingeniería".