El futuro del frío está en los materiales calóricos

Hay materiales, algunos naturales como el caucho, pero la mayoría creados por los humanos, que tienen una particularidad: se enfrían o calientan según se les aplique un campo de fuerza. Esta puede ser una corriente eléctrica, un imán, presión o simplemente estirarlo. Estos compuestos prometen una nueva forma de enfriar. Durante más de un siglo, frigoríficos, aires acondicionados y también sistemas de calefacción han usado gases para funcionar, pero esos gases no son inocuos. Los clorofluorocarbonos (CFC) utilizados durante décadas estaban acabando con la capa de ozono que protege la Tierra de la radiación. Sus sustitutos, los hidrofluorocarbonos (HFC), resulta que tienen un efecto sobre el calentamiento global miles de veces mayor que el CO₂. Así que urge encontrar alternativas. Y estos materiales llamados calóricos podrían ser el futuro del frío.

Los primeros frigoríficos domésticos aparecieron hace más de un siglo. Desde entonces se han modernizado mucho, pero la esencia de su funcionamiento es el mismo: aprovechan un fenómeno básico de la física por el que al comprimir un gas, pasa a estado líquido y se calienta. Al liberarlo de la presión, vuelve a su estado gaseoso enfriando su entorno. La necesidad de reemplazar los HFC ha hecho que la industria de la compresión de vapor busque alternativas, como el butano el amonio. Pero, por inflamables o por tóxicos, tienen sus riesgos. Por eso los científicos están buscando materiales y procesos que, siguiendo la misma mecánica, no tengan los problemas de los gases. Hasta ahora han encontrado cuatro grandes grupos: los electrocalóricos, que cambian su temperatura al someterlos a un campo eléctrico, los de efecto magnetocalórico, que se comportan igual, pero bajo el influjo de imanes, los barocalóricos, que liberan energía bajo presión, o los elastocalóricos, cuya temperatura varía bajo la acción de una fuerza mecánica a lo largo de un eje.

La semana pasada, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley (LNL, Estados Unidos) presentaron un nuevo proceso, al que han llamado ionocalórico. Es tan nuevo, que una búsqueda en Google anterior a que publicaran su trabajo en Science dio cero resultados. El proceso en sí es bastante complejo, pero se podría ilustrar con dos analogías. Una es el comportamiento del hielo cuando se le añade sal: se derrite formando una especie de plasma y, lo que es más importante aquí, baja su punto de congelación hasta los -10º o aún menos. Lo que han hecho estos científicos ha sido identificar un material sólido llamado carbonato de etileno, presente en muchas baterías de litio. Sólido a temperatura ambiente, empieza fundirse al llegar a los 34º. Este comportamiento lo han alterado añadiéndole iones de una sal, yoduro de sodio.

“El enfriamiento ionocalórico funciona agregando una sal a un sólido, lo que hace que el sólido quiera ser líquido. Para convertirse en líquido, debe derretirse, lo que significa que debe absorber energía

Drew Lilley, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley, Estados Unidos

Drew Lilley, del LNL y coautor del invento, explica el proceso: “El enfriamiento ionocalórico funciona agregando una sal a un sólido, lo que hace que el sólido quiera ser líquido. Para convertirse en líquido, debe derretirse, lo que significa que debe absorber energía. Si evitamos que el sólido absorba energía del entorno, la robará de sí mismo, lo que enfriará todo el material”. El calentamiento sería a la inversa: “Toma un líquido que tiene sal disuelta (iones) y los elimina. Cuando se eliminan los iones [mediante electrodiálisis], el líquido ya no quiere ser líquido, quiere convertirse en sólido. Para hacerlo, debe cristalizar y liberar energía. Si se evita que el líquido intercambie energía con el entorno, se liberará energía y se calentará”, añade Lilley. El material vuelve a su estado sólido y así podría reiniciar el ciclo.

Emmanuel Defay, responsable de la unidad de nanotecnología del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (ICTL) ha publicado también en Science un comentario al trabajo de Lilley. “La principal ventaja del sistema es la gran variación de entropía”, opina en un correo. Y explica: “Dicho de una manera más simple, el golpe de frío que se puede generar durante cada ciclo es el más grande que he visto en materiales calóricos, junto al de los barocalóricos. El principal inconveniente es que cada ciclo tarda, por ahora, varios minutos. Hay que desalinizar la solución, lo que lleva tiempo. Ese es el principal desafío que tiene por delante esta tecnología. Un ciclo largo significa una potencia frigorífica baja”.

Es esa potencia frigorífica la que reorientó el trabajo de Xavier Moya, investigador de materiales calóricos en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Aunque su foco de estudio eran los magnetocalóricos (sobre los que hizo su tesis), no lograban grandes rendimientos. “En la práctica, cuando usas imanes permanentes, los mejores materiales magnetocalóricos tienen cambios de temperatura de unos tres grados. Después se pueden convertir esos tres grados en 20 con regeneración, pero ya la ingeniería es mucho más complicada”, dice. Sin embargo, en 2015 descubrieron unos cristales plásticos que le llevaron a reorientar sus estudios hacia el efecto barocalórico. “Nos dimos cuenta de que estos materiales podían tener un rendimiento parecido a la compresión de gases y descubrimos que, por primera vez, lograban efectos de 60 grados”, añade. Es decir, lograron el rango de temperaturas en el que puede operar un frigorífico convencional, desde los -20º en el congelador, hasta los 40º en la parte trasera. Obtuvieron la patente de su descubrimiento al año siguiente.

Unos 200 años antes, el filósofo natural inglés John Gough descubrió el efecto elastocalórico. Gough era ciego, así que usaba mucho sus manos y sus labios para experimentar. Cuando le trajeron una tira de caucho procedente de India, descubrió que al estirarla casi se quema los labios y como, al soltarla, se enfriaba de forma repentina. Hoy lo que estiran y encogen son aleaciones metálicas con memoria (capaces de volver a su forma original). Eso de estirar metales ya revela la complejidad de este enfoque. Sin embargo, es uno de los más prometedores.

Alvar Torelló hizo su tesis sobre los materiales electrocalóricos bajo la dirección de Defay, del centro de investigación luxemburgués. Reconociendo que no es imparcial, destaca de su enfoque que trabajan con campos eléctricos directamente. “Y esta energía que utilizo se puede recuperar en un 80%. Es muy eficiente”. Enseguida reconoce su principal problema, “que se logra poco calor, aunque se podría amplificar por medio de ingeniería”. Por poco calor, se refiere a unos pocos grados. Eso supone que “hacer una nevera con electrocalóricos nos pille muy lejos”, dice. Pero hay otros segmentos del frío, como los aparatos de aire acondicionado y calefacción, que operan en rangos térmicos de unos 10º, y eso sí lo considera factible a medio plazo.

“Cuando miras las emisiones globales de CO₂, calentamiento y enfriamiento suponen el 50% en Europa y Estados Unidos. La aviación, el 3%”

Xavier Moya, investigador de materiales calóricos en la Universidad de Cambridge, Reino Unido

Un informe de 2018 de la Agencia Internacional de la Energía estimaba que, para 2050, la demanda de energía solo de los sistemas de aire acondicionado se triplicará. Por un lado, las nuevas clases medias de los países emergentes querrán tener sus casas fresquitas. Por el otro, el aumento de las temperaturas debido al cambio climático, elevará la demanda de refrigeración. Seguir apostando por la compresión de gases parece un contrasentido, por su elevado potencial de calentamiento. Por eso los materiales calóricos están viviendo una fase explosiva.

El profesor de Física de la Materia Condensada en la Universidad de Barcelona, Luis Mañosa, lleva décadas estudiando los materiales y efectos calóricos. Aunque ya hay algunos prototipos, como un enfriador de vino diseñado por la alemana BASF, o un sistema de aire acondicionado para coches basado en el efecto elastocalórico, “la tecnología no está lo suficientemente madura para la fase comercial”, dice. Cada una de las tecnologías tiene aún uno o dos problemas esenciales que solucionar. “Los magnetocalóricos necesitarían campos magnéticos muy grandes, los electrocalóricos pueden funcionar con algo pequeño, pero no en un frigorífico, la fatiga de los materiales elastocalóricos es un problema...” Ahora su equipo está investigando una nueva clase de estos materiales, los multicalóricos, que pueden responder a más de un tipo de fuerza. “Toca cambiar el paradigma de la refrigeración y estos materiales pueden ser la clave”, termina Mañosa.

Xavier Moya, el científico de Cambridge, recuerda que “durante muchos años, cuando la gente hablaba de energías renovables, siempre era sobre placas solares o baterías, que son importantes, pero algunos llevamos mucho tiempo peleando por la necesidad de resolver el problema de la refrigeración y la calefacción”. Y lo pone en perspectiva: “Cuando miras las emisiones globales de CO₂, calentamiento y enfriamiento suponen el 50% en Europa y Estados Unidos. Mientras, la aviación, por la que muchos están tan preocupados, solo genera el 3% de las emisiones”, añade Moya, que concluye: “Todas estas nuevas tecnologías, ya sean materiales calóricos o termoeléctricos u otro tipo de materiales que haya, pueden marcar la diferencia. Porque si no resolvemos el calentamiento y el enfriamiento con tecnologías de bajo carbono, va a ser muy difícil llegar emisiones netas cero”.

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