La capa radiativa mantiene los objetos calientes y frescos.

Investigadores en China han desarrollado una capa térmica que puede enfriar por radiación objetos en climas cálidos y mantenerlos calientes cuando hace frío. Kehang Cui de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y sus colegas dicen que su nueva tecnología ofrece una forma prometedora de regular la temperatura sin el aporte de energía.

La calefacción y refrigeración de edificios representa aproximadamente el 20% del consumo mundial de energía. A medida que el cambio climático intensifique la frecuencia y gravedad de los fenómenos meteorológicos extremos, los sistemas de control de temperatura se verán obligados aún más en las próximas décadas.

Como resultado, los investigadores están interesados ​​en crear tecnologías de bajo costo y neutras en carbono que puedan regular las temperaturas de forma pasiva, sin recurrir a una fuente de alimentación.

Un desafío importante en la creación de tales sistemas es que los materiales termorreguladores convencionales no pueden cambiar su comportamiento radiativo automáticamente. Por ejemplo, algunos materiales de refrigeración reflejan la radiación solar, mientras emiten radiación de infrarrojo medio en la "ventana de transparencia". Esta ventana forma parte del espectro electromagnético donde la radiación no es reflejada ni absorbida por la atmósfera y esta emisión tendrá un efecto refrescante. Sin embargo, estos materiales también emitirán radiación en temperaturas frías, desperdiciando un valioso calor.

Ahora, Cui y sus colegas han creado una nueva “capa térmica Janus” (JTC), que regula la temperatura en todas las temperaturas ambientales. "La capa está compuesta por un metatejido fonónico de enfriamiento radiativo totalmente cerámico que mira hacia el cielo y una lámina de reciclaje de fotones hacia el interior", explica Cui.

El equipo eligió estos materiales por su alta resistencia y estabilidad, bajo costo y excelente resistencia al fuego y la corrosión. Como resultado, dicen que la capa es fácil de fabricar y resistente a los duros entornos exteriores.

Fabricada con una aleación de aluminio, la lámina interior del JTC tiene una alta conductividad térmica, pero refleja casi perfectamente la radiación en todo el espectro infrarrojo, atrapando el calor en su interior. Los investigadores dicen que también se podrían utilizar materiales como cerámica, cobre y acero inoxidable, dependiendo de la disponibilidad de materiales.

El metatejido orientado hacia el cielo del JTC comprende un andamio tejido con fibras de sílice trenzadas que está unida a un cristal de nitruro de boro hexagonal 2D. Esto crea un material "hiperbólico", cuya respuesta a las ondas electromagnéticas incidentes depende del ángulo de su aproximación.

A diferencia de la lámina de debajo, el metatejido tiene una conductividad térmica extremadamente baja, pero refleja altamente la radiación solar, cubriendo el rango visible y el infrarrojo cercano. Esto se debe a las interacciones entre la luz y la materia dentro del metatejido, lo que hace que la radiación del infrarrojo medio se disperse alrededor de los ejes de sus fibras de sílice. En la ventana de transparencia, el metatejido reemite prácticamente toda la radiación que absorbe, sin transferirla a la lámina.

Como resultado, el calor dentro del objeto envuelto tiende a retenerse, pero la radiación del entorno no tenderá a calentar el objeto.

El nuevo sistema de enfriamiento elastocalórico es prometedor para uso comercial

El equipo de Cui probó el JTC en coches eléctricos estacionados en las calles de Shanghai y comparó la temperatura de su cabina con la de coches descubiertos. En el experimento, los coches cubiertos se mantuvieron unos 8°C más fríos que los coches descubiertos en los calurosos días de verano, y 6,8°C más cálidos en las frías noches de invierno.

“Esta es la primera vez que pudimos lograr un calentamiento superior a la temperatura ambiente de casi 7 °C durante las noches de invierno”, describe Cui. "Esto también nos sorprende un poco: no hay entrada de energía ni luz solar y aún así podemos calentarnos". Esta regulación pasiva es especialmente importante para los coches eléctricos, ya que sus baterías y componentes eléctricos no pueden soportar fácilmente cambios extremos de temperatura.

Para Cui y sus colegas, el próximo paso será mejorar su diseño, lo que posiblemente conduzca a una amplia gama de interesantes aplicaciones prácticas. "La capa térmica es fiable, verdaderamente pasiva y no implica cambios de fase ni piezas móviles", continúa. "Esto lo hace prometedor para su uso en aplicaciones del mundo real en edificios, vehículos e incluso entornos extraterrestres".

La investigación se describe en Dispositivo.