Polímeros electroactivos para calefacción y refrigeración
Los convertidores de temperatura entre los materiales electroactivos
Los polímeros electroactivos reaccionan a fuerzas, deformaciones y cambios de temperatura con señales eléctricas. También pueden deformarse o cambiar de temperatura bajo tensión eléctrica. Los cambios de temperatura dirigidos son especialmente interesantes para los sistemas de calefacción y refrigeración. Los polímeros electrocalóricos son la clave para ello. Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros (IAP) desarrollan materiales electrocalóricos y los transforman en componentes funcionales. Como núcleo de un sistema global optimizado, constituyen una base importante para el futuro desarrollo de sistemas de calefacción y refrigeración eficientes y compactos que no requieran refrigerantes nocivos.
Los investigadores del Fraunhofer IAP han desarrollado películas poliméricas electrocalóricas con un grosor muy reducido, de tan sólo cuatro micrómetros, y las han transformado en componentes multicapa. En el futuro, se utilizarán en diversos sistemas de calefacción y refrigeración. Por ejemplo, en bombas de calor para controlar la temperatura en el interior de vehículos, módulos de baterías, componentes electrónicos, armarios de control o sistemas láser. "El bajo grosor de las capas es crucial para el funcionamiento de los sistemas electrocalóricos a tensiones muy inferiores a un kilovoltio", explica el Dr. Michael Wegener, jefe del departamento de Sensores y Actuadores del Fraunhofer IAP. Junto con su equipo, desarrolla y mejora diversos polímeros electroactivos (EAP) para una amplia gama de aplicaciones. Entre ellas, sensores y actuadores electromecánicos para aplicaciones en robótica blanda y automatización, detectores de sonido y vibración, transductores ultrasónicos, capas piroeléctricas para sensores infrarrojos y materiales electrocalóricos para calefacción y refrigeración.
Polímeros electrocalóricos: los convertidores de temperatura entre los materiales electroactivos
Los polímeros electrocalóricos reaccionan a los cambios de tensión eléctrica con cambios de temperatura: la aplicación repentina de un campo eléctrico provoca un aumento específico y repentino de la temperatura, que aumenta cuanto mayor es el cambio del campo eléctrico. Esto se debe a las estructuras polares del material, que son forzadas a alinearse ordenadamente por el campo eléctrico y liberan energía en el proceso. A la inversa, vuelven a absorber energía en cuanto se apaga el campo eléctrico. El material se enfría bruscamente en la misma medida. Para el uso técnico de materiales electrocalóricos en sistemas de calefacción y refrigeración, estos procesos deben repetirse a altas frecuencias y controlarse de forma que el calentamiento y el enfriamiento tengan lugar en entornos diferentes. Sólo así puede crearse una bomba de calor con zonas utilizables y permanentemente calientes y frías. Varias propiedades del material son cruciales para un alto rendimiento electrocalórico, entre ellas un gran cambio en la polarización eléctrica, alta resistencia dieléctrica, bajas pérdidas térmicas y buena estabilidad mecánica.
Desarrollo de materiales: Soluciones a medida para aplicaciones electrocalóricas
Los investigadores del Fraunhofer IAP están mejorando específicamente las propiedades de los materiales electrocalóricos y adaptando los componentes desarrollados a partir de ellos para aplicaciones individuales. La atención se centra en las modificaciones químicas y físicas de los terpolímeros de PVDF y en el desarrollo de componentes formados por varias capas de finas películas poliméricas electrocalóricas optimizadas para los mayores cambios de temperatura posibles.
Tecnología de película fina de alta precisión: La clave de la eficacia
Los polímeros electroactivos plantean grandes exigencias al procesamiento de películas finas y a la construcción de sistemas multicapa. La homogeneidad de las películas poliméricas y el mantenimiento de una elevada resistencia eléctrica y de las propiedades funcionales deseadas (en este caso, los grandes cambios de temperatura) constituyen retos particulares. "En primer lugar, optimizamos los materiales mediante modificaciones químicas, postratamientos térmicos o inducidos por radiación, o la adición de cargas. A continuación, desarrollamos métodos de fabricación especiales, como procesos de raspado, recubrimiento o impresión, y optimizamos los parámetros de fabricación para producir películas finas con las propiedades deseadas. En el último paso, nos centramos en optimizar otros procesos, como el estiramiento mecánico de las películas o la aplicación de sistemas de electrodos con propiedades térmicas adecuadas", explica Wegener, resumiendo las fases de desarrollo de las películas poliméricas electrocalóricas.
Procesos de apilamiento: Estructuras multicapa para aplicaciones eficientes de calefacción y refrigeración
Un aspecto esencial es el apilamiento de láminas individuales en estructuras multicapa, conocidas como componentes. El apilamiento de varias películas con electrodos entre ellas aumenta la cantidad de polímero electrocalórico que interactúa con el campo eléctrico sin aumentar la tensión de funcionamiento necesaria. Este tipo de estructura y el uso de muchos componentes de este tipo proporcionan la masa térmica adecuada para utilizar eficazmente los polímeros electrocalóricos en sistemas de calefacción y refrigeración.
Electrocalórico: Tecnología innovadora en el punto de mira
Las películas y componentes de polímeros electrocalóricos recientemente desarrollados son el resultado del proyecto insignia Fraunhofer Bombas de calor electrocalóricas (ElKaWe). En este proyecto, investigadores de seis institutos Fraunhofer trabajaron juntos para desarrollar materiales electrocalóricos innovadores basados en polímeros y cerámica, así como electrónica de control de alto rendimiento. Las bombas de calor basadas en materiales electrocalóricos tienen el potencial de convertirse en una solución más ecológica y eficiente para la calefacción y la refrigeración, sustituyendo a los sistemas convencionales que utilizan compresores y refrigerantes perjudiciales para el clima.
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