Los cristales plásticos, el futuro de la tecnología para enfriar las cosas

Los sistemas de refrigeración han cambiado nuestra forma de vivir, pero también están contribuyendo al deterioro del planeta. Al menos la cuarta parte de la electricidad que utilizamos se dedica a enfriar cosas y para lograr ese milagro de la técnica se utilizan gases con un intenso efecto invernadero. La emisión a la atmósfera de un kilo de estos gases equivale al dióxido de carbono emitido por un coche circulando sin descanso durante medio año.

Recientemente, un equipo liderado por Bing Li, de la Academia China de Ciencias, ha presentado en la revista Nature un sistema que puede aprovechar el principio físico que hace posibles los sistemas de refrigeración con gases, pero con menos impacto medioambiental y la posibilidad de miniaturizarlo y tener un gran impacto en el mundo de la electrónica. En este caso, el material utilizado para extraer calor a objetos calientes serían cristales plásticos.

Más de una cuarta parte de la electricidad que gasta la humanidad se emplea en sistemas de refrigeración

Para entender la propuesta de los científicos chinos, en primer lugar es necesario conocer cómo funcionan sistemas de refrigeración estándar como los de las neveras. Básicamente, requieren cuatro pasos. En el primero se contrae el gas, que aumenta de temperatura. Después, se extrae ese calor del gas comprimido y al volverlo a descomprimir pierde temperatura y queda más frío que el ambiente. Ese gas frío se puede utilizar entonces para enfriar la comida de la nevera, por ejemplo. “La idea es que al principio las moléculas del gas están muy desordenadas y con el aumento de presión se reduce el volumen del gas y su grado de desorden”, explica Claudio Cazorla, investigador de la Escuela de Ciencia de Materiales e Ingeniería de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia). “Reduciendo el nivel de desorden de una forma reversible, puedes refrigerar un sistema y eso es lo que se hace en el caso de los cristales plásticos”, continúa.

La idea básica, continúa Cazorla, “es ser capaz de, aplicando un cambio externo, generar una cambio en una sustancia, ya sea un gas o unos cristales, que involucre un gran cambio de entropía o, por decirlo de una forma más sencilla, de orden dentro del sistema”. En el caso de los cristales plásticos, se podría aplicar una presión o un campo eléctrico o magnético que produzca una variación en el orden molecular del cristal. En principio, los cambios que se podrían producir en unos cristales no sería tan grandes como con un gas, pero los cristales propuestos en el artículo de Nature son especiales y permiten inducir un gran cambio en el nivel de desorden aplicando pequeñas presiones sobre ellos.

Estos cristales plásticos, que se usan de forma rutinaria en industrias como la farmacéutica, están formados por moléculas orgánicas simples que están rotando. “Tienen lo que se llama desorden rotacional y no puedes decir cuál es el orden de las moléculas”, apunta Cazorla. “Pero cuando aplicas una pequeña presión, cancelas esas rotaciones libres de la moléculas y pasas a tener un sistema más ordenado, como en el caso del gas cuando lo comprimimos, porque todas las moléculas tienen una orientación determinada”, apunta.

Aunque la tecnología empleada en la refrigeración es antigua y se ha ido optimizando, su eficiencia energética, que ronda el 60%, es mejorable y algunos de estos refrigerantes sólidos podrían lograr eficiencias más elevadas. Además, se podrían diseñar sistemas de refrigeración en miniatura que incrementasen el potencial de la microelectrónica. Hasta ahora, es imposible introducir un sistema de refrigeración por gas en un móvil, porque a escala microscópica no sería efectivo, pero sí se podrían meter láminas de estos materiales que enfriasen los circuitos a escala microscópica y mejorasen la eficiencia.

Otra de las aplicaciones posibles llegaría como apoyo al desarrollo de baterías para automóviles eléctricos. Una de las limitaciones de estos aparatos es la velocidad de carga. Cuanto más rápido se hace, más calor genera el proceso y ese calor es difícil de eliminar.

Junto a las ventajas de los cristales plásticos como refrigerantes, el equipo de Li también reconoce algunas limitaciones importantes. La misma maleabilidad que les hace sensibles a leves presiones hace que mecánicamente sean muy blandos y no los convierta en materiales ideales para crear un sistema de refrigeración duradero.