El enfriamiento elastocalórico hace que el metal se enfríe cuando se descarga.

Desde el punto de vista físico, el frío no es más que calor ausente. Quien enfría una habitación debe eliminar el calor de este ambiente y liberarlo en otra parte. Hoy en día, casi todos los frigoríficos, sistemas de aire acondicionado y cámaras frigoríficas resuelven esta tarea utilizando el principio del compresor, en el que un refrigerante que se evapora y se recomprime transporta el calor. Sin embargo, son estos refrigerantes los que se consideran un problema porque muchos de ellos tienen un alto potencial de calentamiento global, a veces son inflamables y están cada vez más regulados o prohibidos en la Unión Europea. El enfriamiento elastocalórico sigue un camino fundamentalmente diferente. Utiliza el llamado efecto elastocalórico de una aleación con memoria de forma compuesta de níquel-titanio, que cambia su estructura cristalina cuando se carga y descarga mecánicamente y, por tanto, absorbe o libera calor. En este circuito ya no se necesitan gases volátiles, por lo que la tecnología se considera particularmente limpia y requiere poco mantenimiento.

La necesidad de refrigeración está creciendo rápidamente en todo el mundo. Según la Agencia Internacional de Energía, la refrigeración espacial por sí sola ya representa alrededor del 12% de la demanda mundial de electricidad, y los pronósticos indican que esta proporción se triplicará para mediados de siglo. En Alemania, según datos de la Agencia Federal de Medio Ambiente, el consumo de energía final para calefacción y refrigeración representa más de la mitad del consumo total de energía final. Por lo tanto, una tecnología que realizara la misma tarea con una eficiencia energética significativamente mayor y sin materiales operativos nocivos tendría un impacto enorme. Aquí es exactamente donde entran en juego los elastoheats. Debido a que los elementos de níquel-titanio se estiran y contraen como tendones, a menudo se les llama músculos artificiales. Se pueden utilizar tanto para refrigeración como para calefacción y, por tanto, también funcionan como bomba de calor. Esto convierte al proceso en uno de los enfoques más populares para el aire acondicionado sin refrigerante.

Porque el metal se enfría cuando se suelta.

El principio básico se puede describir utilizando un hilo simple. El níquel-titanio está presente en la llamada fase austenita a temperatura ambiente. Cuando el cable se pone bajo tensión, los investigadores lo obligan a pasar a la fase de martensita, donde el material libera calor a su entorno y se calienta. Si la tensión mecánica vuelve a disminuir, la aleación vuelve a su estado original y elimina el calor del entorno, de modo que el metal se enfría significativamente. Un equipo de la Universidad del Sarre dirigido por Stefan Seelecke y Paul Motzki, que trabaja en el Pathfinder Challenge de cuatro millones de euros sobre elastocalóricos, lleva unos quince años desarrollando sistemas que permiten esta interacción perfecta. Si pasa aire o agua por los elementos cargados y descargados, el medio transporta calor de un lugar a otro. Para este circuito no se necesita ni compresor ni refrigerante líquido.

Desde haces de cables hasta rejillas impresas

En los primeros prototipos se utilizaban principalmente haces de cables, pero ahora los investigadores también trabajan con láminas delgadas, porque su mayor superficie puede absorber y liberar más calor. La última etapa de expansión también va más allá de las formas simples, como lo demuestran las estructuras de níquel-titanio impresas en 3D presentadas en la Universidad de Sarre, cuya geometría interna porosa proporciona una superficie particularmente grande para el efecto de enfriamiento y calentamiento. Además, el níquel titanio tiene propiedades sensoriales incorporadas, ya que a cada deformación se le puede asignar un valor de resistencia eléctrica específico. Un aspecto central del desarrollo es la idoneidad para el uso diario, ya que los haces de cables deberían soportar más de un millón de ciclos de carga sin fatiga. Al mismo tiempo, los componentes están diseñados de tal manera que puedan reemplazarse fácilmente en caso de mantenimiento, lo que hace que la tecnología sea atractiva para un funcionamiento continuo.

El efecto elastocalórico en sí no es nuevo y se observó de forma simple en el caucho natural hace unos doscientos años. Experimentos con fibras tejidas de níquel y titanio ya han demostrado que las superficies pueden enfriarse hasta veinte grados centígrados cuando están relajadas. Sin embargo, sólo las aleaciones potentes, los accionamientos sofisticados y la recuperación inteligente de la energía mecánica hacen que este proceso sea práctico. El Foro Económico Mundial nombró al elastocalórico entre las 10 principales tecnologías emergentes para 2024, y tanto la Comisión Europea como el Departamento de Energía de EE. UU. lo clasifican como la alternativa más prometedora a los enfriadores de compresión actuales. Esto pone de relieve una tecnología que durante mucho tiempo se consideró sólo una curiosidad en las clases de física y que ahora se está desarrollando seriamente para el mercado de masas.

Qué debería conseguir la nueva tecnología de aire acondicionado

El elastocalórico no es el único enfoque de estado sólido que no requiere gases volátiles. Al mismo tiempo, grupos de investigación trabajan en componentes electrocalóricos y sistemas de refrigeración magnetocalóricos en los que los campos magnéticos provocan cambios de temperatura. Todos estos procesos comparten el objetivo de reemplazar el compresor y el refrigerante dañino para el clima. Los elastocalóricos se consideran particularmente prometedores porque funcionan con materiales relativamente robustos y pueden enfriar y calentar. Según los científicos involucrados, el níquel-titanio puede alcanzar en principio una eficiencia significativamente mayor que la tecnología de aire acondicionado actual. Los primeros demostradores ya enfrían el aire de forma continua y los equipos de Saarbrücken siguen desarrollando la tecnología en el marco de proyectos conjuntos financiados para la climatización de vehículos eléctricos, donde los sistemas convencionales cuestan mucha autonomía.

Sin embargo, todavía quedan obstáculos por superar antes de que pueda utilizarse ampliamente. Los componentes deben funcionar de forma fiable durante muchos años, los accionamientos deben consumir la menor energía posible y los costes de producción deben reducirse. También surgen preguntas similares cuando se investigan bombas de calor más eficientes energéticamente, que también se consideran la clave para una calefacción y refrigeración respetuosas con el clima. Los investigadores predicen que la refrigeración elastocalórica podría estar lista para salir al mercado en unos cinco años, inicialmente en nichos como los refrigeradores de vino, la refrigeración de procesos o los vehículos y más tarde en sistemas más grandes. Si el proceso se consolida, una parte importante del sistema de refrigeración global podría prescindir de los gases de efecto invernadero en el futuro. Para un país como Alemania, donde el calor y el frío son el mayor obstáculo para el consumo de energía, esto representaría una contribución significativa a la protección del clima.