El sistema de enfriamiento pasivo podría beneficiarse

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A medida que el mundo se calienta, se prevé que el uso de sistemas de aire acondicionado que consumen mucha energía aumente significativamente, ejerciendo presión sobre las redes eléctricas existentes y evitando muchos lugares con poca o ninguna energía eléctrica confiable. Ahora, un sistema innovador desarrollado en el MIT ofrece una forma de utilizar la refrigeración pasiva para preservar los cultivos alimentarios y complementar los acondicionadores de aire convencionales en los edificios, sin necesidad de energía y con una pequeña necesidad de agua.

El sistema, que combina enfriamiento por radiación, enfriamiento por evaporación y aislamiento térmico en un paquete delgado que podría parecerse a los paneles solares existentes, puede proporcionar hasta aproximadamente 19 grados Fahrenheit (9,3 grados Celsius) de enfriamiento a partir de la temperatura ambiente, lo suficiente para permitir alimentos seguros. almacenamiento durante aproximadamente un 40 por ciento más en condiciones muy húmedas. Podría triplicar el tiempo de almacenamiento seguro en condiciones de secado.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Cell Reports Physical Science, en un artículo del posdoctorado del MIT Zhengmao Lu, Arny Leroy PhD '21, los profesores Jeffrey Grossman y Evelyn Wang, y otros dos. Si bien se necesita más investigación para reducir el costo de un componente clave del sistema, los investigadores dicen que eventualmente dicho sistema podría desempeñar un papel importante para satisfacer las necesidades de enfriamiento de muchas partes del mundo donde la falta de electricidad o agua limita el uso de sistemas de refrigeración convencionales.

El sistema combina ingeniosamente diseños de enfriamiento independientes anteriores que proporcionan cantidades limitadas de potencia de enfriamiento para producir un enfriamiento significativamente mayor en general, lo suficiente para ayudar a reducir las pérdidas de alimentos por deterioro en partes del mundo que ya sufren de suministros de alimentos limitados. En reconocimiento de ese potencial, el equipo de investigación ha sido apoyado en parte por Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab del MIT.

"Esta tecnología combina algunas de las buenas características de las tecnologías anteriores, como el enfriamiento por evaporación y el enfriamiento por radiación", dice Lu. Al usar esta combinación, dice, "demostramos que puede lograr una extensión significativa de la vida útil de los alimentos, incluso en áreas donde hay mucha humedad", lo que limita las capacidades de los sistemas convencionales de enfriamiento por evaporación o radiación.

En lugares que tienen sistemas de aire acondicionado existentes en edificios, el nuevo sistema podría usarse para reducir significativamente la carga en estos sistemas al enviar agua fría a la parte más caliente del sistema, el condensador. "Al reducir la temperatura del condensador, puede aumentar efectivamente la eficiencia del acondicionador de aire, de modo que pueda ahorrar energía", dice Lu.

Otros grupos también han estado buscando tecnologías de enfriamiento pasivo, dice, pero "al combinar esas características de manera sinérgica, ahora podemos lograr un alto rendimiento de enfriamiento, incluso en áreas de alta humedad donde la tecnología anterior generalmente no puede funcionar bien".

El sistema consta de tres capas de material, que juntas brindan enfriamiento a medida que el agua y el calor pasan a través del dispositivo. En la práctica, el dispositivo podría parecerse a un panel solar convencional, pero en lugar de producir electricidad, proporcionaría refrigeración directamente, por ejemplo, actuando como el techo de un contenedor de almacenamiento de alimentos. O bien, podría usarse para enviar agua fría a través de tuberías para enfriar partes de un sistema de aire acondicionado existente y mejorar su eficiencia. El único mantenimiento que se requiere es agregar agua para la evaporación, pero el consumo es tan bajo que solo se debe realizar aproximadamente una vez cada cuatro días en las zonas más cálidas y secas, y solo una vez al mes en las zonas más húmedas.

La capa superior es un aerogel, un material que consiste principalmente en aire encerrado en las cavidades de una estructura similar a una esponja hecha de polietileno. El material es altamente aislante pero deja pasar libremente tanto el vapor de agua como la radiación infrarroja. La evaporación del agua (que se eleva desde la capa inferior) proporciona parte del poder de enfriamiento, mientras que la radiación infrarroja, aprovechando la extrema transparencia de la atmósfera terrestre en esas longitudes de onda, irradia parte del calor directamente a través del aire y hacia el espacio. — a diferencia de los acondicionadores de aire, que arrojan aire caliente al entorno inmediato.

Debajo del aerogel hay una capa de hidrogel, otro material similar a una esponja, pero cuyos espacios porosos se llenan de agua en lugar de aire. Es similar al material que se usa actualmente comercialmente para productos como compresas refrescantes o vendajes para heridas. Esto proporciona la fuente de agua para el enfriamiento por evaporación, ya que el vapor de agua se forma en su superficie y el vapor pasa a través de la capa de aerogel y sale al medio ambiente.

Debajo de eso, una capa similar a un espejo refleja la luz solar entrante que la ha alcanzado, enviándola de regreso a través del dispositivo en lugar de dejar que caliente los materiales y, por lo tanto, reducir su carga térmica. Y la capa superior de aerogel, al ser un buen aislante, también refleja mucho la luz solar, lo que limita la cantidad de calor solar del dispositivo, incluso bajo la luz solar intensa y directa.

"La novedad aquí es simplemente reunir la función de enfriamiento por radiación, la función de enfriamiento por evaporación y también la función de aislamiento térmico en una sola arquitectura", explica Lu. El sistema se probó, utilizando una versión pequeña, de solo 4 pulgadas de ancho, en la azotea de un edificio en el MIT, demostrando su eficacia incluso en condiciones climáticas subóptimas, dice Lu, y logrando 9,3 C de enfriamiento (18,7 F).

"Anteriormente, el desafío era que los materiales evaporativos a menudo no manejan bien la absorción solar", dice Lu. "Con estos otros materiales, generalmente cuando están bajo el sol, se calientan, por lo que no pueden alcanzar un alto poder de enfriamiento a temperatura ambiente".

Las propiedades del material del aerogel son clave para la eficiencia general del sistema, pero ese material en la actualidad es costoso de producir, ya que requiere un equipo especial para el secado de punto crítico (CPD) para eliminar los solventes lentamente de la delicada estructura porosa sin dañarla. La característica clave que debe controlarse para brindar las características deseadas es el tamaño de los poros en el aerogel, que se fabrica mezclando el material de polietileno con solventes, dejándolo fraguar como un tazón de gelatina y luego obteniendo el disolventes fuera de ella. Actualmente, el equipo de investigación está explorando formas de hacer que este proceso de secado sea más económico, como el secado por congelación, o encontrar materiales alternativos que puedan proporcionar la misma función aislante a un costo menor, como membranas separadas por un espacio de aire.

Si bien los otros materiales utilizados en el sistema están fácilmente disponibles y son relativamente económicos, dice Lu, "el aerogel es el único material que es un producto de laboratorio que requiere un mayor desarrollo en términos de producción en masa". Y es imposible predecir cuánto tiempo podría tomar ese desarrollo antes de que este sistema pueda volverse práctico para un uso generalizado, dice.

Este trabajo "representa un enfoque de integración de sistemas muy interesante y novedoso de tecnologías de enfriamiento pasivo", dice Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue, que no estuvo asociado con esta investigación. Ruan agrega: "Al combinar el enfriamiento por evaporación, el enfriamiento por radiación y el aislamiento, tiene un mejor rendimiento de enfriamiento y puede ser efectivo en una gama más amplia de climas que el enfriamiento por evaporación o el enfriamiento por radiación solos. El trabajo podría atraer importantes aplicaciones prácticas, como en conservación de alimentos, si el sistema se puede hacer a un costo razonable".

El equipo de investigación incluyó a Lenan Zhang del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y Jatin Patil del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

En un esfuerzo por combatir el uso de acondicionadores de aire, los investigadores del MIT han desarrollado un sistema de enfriamiento pasivo que se basa en la evaporación y la radiación y no requiere electricidad, informa Camille Bond para EnergyWire. "Con el enfriamiento pasivo, la ventaja es que puede abordar la necesidad cada vez mayor de enfriamiento con una huella de carbono muy baja", explica el posdoctorado Zhengmao Lu.

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