Crean una revolucionaria cerámica refrigerante que mejora la eficiencia energética en edificios de nueva construcción

Investigadores de la City University de Hong Kong (CityU) lograron recientemente un avance significativo en el desarrollo de un material de enfriamiento radiativo pasivo (PRC).

El material, conocido como cerámica refrigerante, consigue propiedades ópticas de alto rendimiento para generar refrigeración sin energía ni refrigerante. Su rentabilidad, durabilidad y versatilidad lo hacen muy adecuado para la comercialización en numerosas aplicaciones, particularmente en la construcción de edificios.

Al reducir la carga térmica de los edificios y proporcionar un rendimiento de refrigeración estable, incluso en diversas condiciones climáticas en todos los climas, la cerámica de refrigeración mejora la eficiencia energética y combate el calentamiento global.

Los hallazgos fueron publicados en la prestigiosa revista científica Science con el título “Cerámica de enfriamiento radiativo pasivo estructurada jerárquicamente con alta reflectividad solar”.”.

Tecnología ecológica

El profesor Edwin Tso Chi-yan, de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE) de CityU, y el profesor Wang Zuankai , profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU y vicepresidente asociado (Investigación e Innovación) de The Hong Kong Polytechnic University, son los autores correspondientes. El primer autor es Lin Kaixin , mientras que el segundo autor es Chen Siru , estudiantes de doctorado supervisados ​​por el profesor Tso en SEE en CityU.

Esta se considera una de las tecnologías de refrigeración ecológicas más prometedoras para frenar la creciente demanda de refrigeración espacial, reducir la contaminación ambiental y . Sin embargo, las actuales cerámicas que utilizan estructuras nanofotónicas están limitadas por el alto costo y la escasa compatibilidad con los usos finales existentes, mientras que las alternativas fotónicas poliméricas carecen de resistencia a la intemperie y de una reflexión solar eficaz.

"Nuestra cerámica de enfriamiento logra propiedades ópticas avanzadas y, al mismo tiempo, tiene una aplicabilidad sólida", dijo el profesor Tso. "El color, la resistencia a la intemperie, la robustez mecánica y la capacidad de reducir el efecto Leidenfrost (un fenómeno que impide la transferencia de calor y hace que el enfriamiento líquido en la superficie caliente sea ineficaz) son características clave que garantizan la naturaleza duradera y versátil de la cerámica de enfriamiento.

Única en el mundo

La extraordinaria singularidad de la cerámica refrigerante radica en su estructura jerárquicamente porosa como material cerámico a granel, que se fabrica fácilmente utilizando materiales inorgánicos altamente accesibles como la alúmina mediante un proceso simple de dos pasos que involucra inversión de fases y sinterización. No se requieren equipos delicados ni materiales costosos, lo que hace que la fabricación escalable de cerámicas refrigerantes sea altamente factible.

El rendimiento de enfriamiento de los materiales PRC está determinado por las propiedades ópticas en dos rangos de longitud de onda: rango solar (0,25-2,5 µm) y rango de infrarrojo medio (8-13 µm). Una refrigeración eficiente requiere una alta reflectividad en el primer rango para minimizar la ganancia de calor solar y una alta emisividad en el último rango para maximizar la disipación de calor radiativo.

Debido a la alta banda prohibida de la alúmina, la cerámica refrigerante mantiene la absorción solar al mínimo. Al imitar la bioblancura de Cyphochilus y optimizar la estructura porosa basada en la dispersión de Mie, la cerámica de enfriamiento dispersa eficientemente casi toda la longitud de onda de la luz solar, lo que resulta en una reflectividad solar casi ideal del 99,6% (una alta reflectividad solar registrada). También logra una alta emisión térmica de infrarrojo medio del 96,5%. Estas propiedades ópticas avanzadas superan las de los materiales de última generación actuales.

“La cerámica de enfriamiento está hecha de alúmina, lo que proporciona la degradación deseada de la resistencia a los rayos UV, lo cual es una preocupación típica de la mayoría de los diseños PRC basados ​​en polímeros. También exhibe una excelente resistencia al fuego al soportar temperaturas superiores a 1.000 °C, lo que supera las capacidades de la mayoría de los materiales de la China a base de polímeros o metales”, dijo el profesor Tso.

Dura y resistente

Más allá de su rendimiento óptico excepcional, la cerámica de enfriamiento exhibe una excelente resistencia a la intemperie, estabilidad química y resistencia mecánica, lo que la hace ideal para aplicaciones en exteriores a largo plazo.

A temperaturas extremadamente altas, la cerámica de enfriamiento exhibe superhidrofilicidad, lo que permite la dispersión inmediata de las gotas y facilita la rápida impregnación de las gotas debido a su estructura porosa interconectada. Esta característica superhidrófila inhibe el efecto Leidenfrost, que se encuentra comúnmente en los materiales tradicionales de revestimiento de edificios, y permite un enfriamiento por evaporación eficiente.

El efecto Leidenfrost es un fenómeno que se produce cuando un líquido entra en contacto con una superficie significativamente más caliente que su punto de ebullición. En lugar de hervir inmediatamente, el líquido forma una capa de vapor que lo aísla del contacto directo con la superficie. Esta capa de vapor reduce la tasa de transferencia de calor y hace que el enfriamiento del líquido sobre la superficie caliente sea ineficaz, lo que hace que el líquido levite y se deslice por la superficie.

Experimento

"La belleza de la cerámica de enfriamiento es que cumple con los requisitos tanto para PRC de alto rendimiento como para aplicaciones en entornos de la vida real", dijo el profesor Tso, y agregó que la cerámica de enfriamiento se puede colorear con un diseño de doble capa, cumpliendo con los requisitos estéticos.

"Nuestro experimento encontró que la aplicación de la cerámica de enfriamiento en el techo de una casa puede lograr más del 20% de electricidad para el enfriamiento del espacio, lo que confirma el gran potencial de la cerámica de enfriamiento para reducir la dependencia de las personas de las estrategias tradicionales de enfriamiento activo y proporciona una solución sostenible para evitar la conexión eléctrica. sobrecarga, emisiones de gases de efecto invernadero e islas de calor urbanas”, afirmó el profesor Tso.

Este dijo que el equipo de investigación tiene la intención de avanzar en nuevas estrategias de gestión térmica pasiva basadas en estos hallazgos. Su objetivo es explorar la aplicación de estas estrategias para mejorar la eficiencia energética, promover la sostenibilidad y aumentar la accesibilidad y aplicabilidad de las tecnologías de China en diversos sectores, incluidos los textiles, los sistemas energéticos y el transporte.