En muchas partes del mundo, especialmente en los países en desarrollo, los hogares pueden usar a lo largo del día el calor del sol, pero cuando se va a cocinar es más tarde, cuando comienza a atardecer y cae la noche, por lo que deben usar otros combustible, como la madera, el gasóleo o el estiércol, que o contamina o requiere para su recolección mucho tiempo y esfuerzo.
Ahora, investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) han desarrollado un nuevo compuesto químico que podría ser una alternativa fácilmente exportable a esos países. Podría usarse para almacenar el calor del sol o de cualquier otra fuente durante el día en un tipo de batería térmica, y podría liberar el calor cuando fuera necesario, por ejemplo para cocinar o calentar las estancias al anochecer, y de una manera sostenible y limpia.
Actualmente, cuando se piensa en el almacenamiento térmico, solo surge una idea, lo que se conoce como material de cambio de fase (PCM), donde el calor de entrada derrite el material y su cambio de fase, de sólido a líquido, almacena energía. Luego, cuando el PCM vuelve a enfriarse por debajo de su punto de fusión, vuelve a ser un sólido, en cuyo punto la energía almacenada se libera en forma de calor. Hay muchos ejemplos de estos materiales, como las ceras o los ácidos grasos utilizados para aplicaciones a baja temperatura, y también las sales fundidas que se usan a altas temperaturas, sobre todo en las grandes plantas de energía termosolar. Pero todos los PCM actuales necesitan un alto nivel de aislamiento, y además atraviesan esa temperatura de cambio de fase sin control, perdiendo su calor almacenado de una manera relativamente rápida.
En cambio, el nuevo sistema usa interruptores moleculares que cambian de forma en respuesta a la luz; cuando se integran en el PCM, la temperatura de cambio de fase del material híbrido puede ajustarse con luz, permitiendo que la energía térmica del cambio de fase se mantenga incluso por debajo del punto de fusión del material original hasta la noche.
Los nuevos hallazgos, dirigidos por los postdoctorados Grace Han y Huashan Li y por el profesor Jeffrey Grossman, se han publicado en la revista Nature Communications.
"El problema con la energía térmica es que es difícil de mantenerla", explica Grossman. Así que su equipo desarrolló esencialmente lo que son complementos para materiales de cambio de fase tradicionales, o "pequeñas moléculas que experimentan un cambio estructural cuando la luz brilla sobre ellas". El truco fue encontrar una forma de integrar estas moléculas con materiales PCM convencionales para liberar la energía almacenada en forma de calor, y bajo demanda. "Se me ocurren tantas aplicaciones donde sería útil almacenar la energía térmica y después poderla usar cuando sea necesario...", dice.
Pues los investigadores lo han logrado. Para ello, combinan los ácidos grasos con un compuesto orgánico que responde a un pulso de luz. Con esta disposición, el componente sensible a la luz altera las propiedades térmicas del otro componente, que almacena y libera su energía. El material híbrido se derrite cuando se calienta y, después de exponerlo a la luz ultravioleta, se derrite incluso cuando vuelve a enfriarse. Luego, cuando se dispara por otro pulso de luz, el material se vuelve a solidificar y devuelve la energía térmica de cambio de fase.
"Al integrar una molécula activada por la luz en la imagen tradicional del calor latente, agregamos un nuevo tipo de perilla de control para propiedades como fusión, solidificación y sobreenfriamiento", dice Grossman, que es profesor en el Morton and Claire Goulder and Family in Environmental Systems del MIT así como profesor de ciencia e ingeniería de materiales.
El sistema podría hacer uso de cualquier fuente de calor, no solo solar, dice Han, "la disponibilidad de calor residual está muy extendida, desde los procesos industriales hasta el propio Sol, e incluso el calor que sale de los vehículos, y por lo general se desaprovecha". Aprovechar parte de esa energía térmica podría proporcionar una forma de reciclar el calor para aplicaciones útiles.
"Lo que estamos haciendo técnicamente es instalar una nueva barrera de energía", explica Han, "para que el calor almacenado no se pueda liberar inmediatamente". En esta forma de almacén químico, la energía puede permanecer largos períodos de tiempo hasta que el activador óptico se active. En sus versiones iniciales de laboratorio a pequeña escala, mostraron que el calor almacenado puede permanecer estable durante al menos 10 horas, mientras que un dispositivo de tamaño similar que actualmente almacena calor, directamente lo disipa en unos pocos minutos. Por lo que "no hay ninguna razón por la que no se pueda ajustar nuestro sistema para que ser más ambiciosos", dice Han.
En el sistema de prueba inicial, "el cambio de temperatura o sobreenfriamiento que alcanzamos para este material de almacenamiento térmico fue de hasta 10ºC, y esperamos que podamos aumentar esa cifra", dice Grossman.
En la última versión que han probado los investigadores, la densidad de energía es bastante significativa, a pesar de que están utilizando un material de cambio de fase convencional. El material puede almacenar aproximadamente 200 julios por gramo, que según Han es "muy bueno para cualquier material orgánico de cambio de fase". Incluso ya ha habido "gente que ha mostrado interés para usarlo en las cocinas de la India rural", dice ella. Dichos sistemas también podrían usarse para secar cosechas agrícolas o para calentar estancias.
"Nuestro interés en este trabajo fue mostrar una prueba de concepto", dice Grossman, "pero creemos que existe un gran potencial para utilizar materiales activados por la luz para secuestrar las propiedades de almacenamiento térmico de los materiales de cambio de fase".
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