Los sistemas de aire acondicionado y las bombas de calor actuales suelen requerir refrigerantes perjudiciales para el medio ambiente. Ahora los investigadores han probado una posible alternativa: la llamada bomba de calor electrocalórica, cuyo material cambia su temperatura en un campo eléctrico. Con un rango de temperatura de hasta 20,9 grados Celsius y una potencia de refrigeración de 4,2 vatios, la bomba de calor de estado sólido alcanza una alta eficiencia, como informa el equipo. Sin embargo, se necesitan más mejoras antes de que sea comercialmente competitivo.
Los dispositivos de refrigeración como congeladores, aires acondicionados y bombas de calor consumen aproximadamente el 20% de la electricidad mundial. Casi todos los sistemas más antiguos se basan en el llamado proceso de compresión de vapor, que es relativamente ineficaz y requiere un refrigerante fluorado perjudicial para el medio ambiente. Debido a su alto consumo de energía y fugas de refrigerante, los refrigeradores son responsables de casi el 10% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.
¿Alternativa a los sistemas convencionales?
Las bombas de calor de estado sólido, que no requieren compresor ni refrigerantes líquidos, se consideran una alternativa más respetuosa con el medio ambiente. En cambio, se basan en los llamados materiales calóricos. Son unos compuestos metálicos que cambian su temperatura en un campo magnético o eléctrico o mediante deformación mecánica. Si bien estas bombas de calor de estado sólido son físicamente capaces de lograr eficiencias significativamente mayores que las bombas de calor de compresión, actualmente no existe ningún modelo comercialmente competitivo.
Ahora, un equipo dirigido por Junning Li del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo en Belvaux ha creado una bomba de calor electrocalórica con un rendimiento y una eficiencia sin precedentes. «Nuestro refrigerador electrocalórico alcanza un rango de temperatura máximo de 20,9 Kelvin y una potencia de refrigeración máxima de 4,2 vatios con un campo eléctrico moderado de 10 voltios por micrómetro», informan. Sistemas similares han logrado hasta ahora diferencias de temperatura de hasta 13 Kelvin y una potencia de refrigeración máxima de 0,26 vatios.
Dos circuitos para frío y calor.
El equipo utilizó como material un compuesto poroso hecho de plomo, escandio y tantalio. Si se pasa una corriente eléctrica a través de este material, se calienta. Si el flujo de corriente se detiene, se vuelve a enfriar. En las pruebas realizadas por los investigadores, el material se mantuvo estable incluso después de numerosos ciclos. Para aprovechar los cambios de temperatura, Li y su equipo intercalaron los elementos de tantalato de plomo, escandio entre dos circuitos de fluido, uno de calentamiento y otro de enfriamiento.
Incluso teniendo en cuenta la energía necesaria para bombear el líquido, la bomba de calor así construida alcanza, como informan los científicos, una eficiencia equivalente al 64% del valor máximo teóricamente posible. Sin embargo, los sistemas que funcionan con compresión de vapor sólo alcanzan una eficiencia de alrededor del 50% por razones técnicas; la mayoría logra una eficiencia inferior al 30%. Comparado con otras bombas de calor de estado sólido que utilizan campos magnéticos o deformación mecánica, el sistema electrocalórico también tiene la ventaja de ser más compacto porque la corriente eléctrica puede pasar directamente a través del material y no se necesitan otros dispositivos que generen un campo magnético o ejercer una fuerza mecánica.
Se necesita más investigación
«Creemos que esta demostración demuestra que la refrigeración electrocalórica es una alternativa prometedora a la refrigeración por compresión de vapor», escribe el equipo de investigación. Sin embargo, antes de que el sistema esté listo para el mercado, se necesitan más mejoras. En un comentario que acompaña al estudio, también publicado en la revista Science, Jaka Tušek de la Universidad de Ljubljana (Eslovenia) señala que se necesita más investigación para aumentar aún más el rendimiento de refrigeración de los dispositivos electrocalóricos y adaptarlos para su funcionamiento.
Por un lado, es posible una miniaturización, lo que podría hacer que el sistema sea interesante para refrigerar dispositivos electrónicos. “Por otro lado, el prototipo de Li et al. «Existe un gran potencial para pasar a mayores capacidades de refrigeración y calefacción», afirma Tušek. “Aunque el rendimiento de este sistema hasta ahora no ha cumplido con los requisitos de muchas aplicaciones prácticas, que a menudo requieren capacidades de enfriamiento de al menos varios cientos de vatios en rangos de temperatura de más de 20 Kelvin, el trabajo resalta el inmenso potencial futuro de la tecnología electrocalórica. «
Fuente: Junning Li (Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo, Belvaux) et al., Science, doi: 10.1126/science.adi5477
