Energía
¡Adiós, refrigerantes! Nuevas ideas sobre la refrigeración de estado sólido pueden revolucionar nuestra forma de abordar las necesidades térmicas en la electrónica
Añade Securities.io a tus fuentes preferidas en Google
Los refrigerantes han sido una de las características más definitorias de nuestro mundo tecnológico actual. Gracias a los refrigerantes podemos conservar alimentos, transportarlos de un lugar a otro y hacer que los productos perecederos sean útiles para el consumo durante un período más largo.
El mercado de productos refrigerantes está creciendo y seguirá creciendo, según estimaciones del mercado. Los datos disponibles indican que el valor total de los productos refrigerantes a nivel mundial fue de 20,05 mil millones de dólares estadounidenses en 2022, y podría subir a 36,77 mil millones de dólares estadounidenses para 2030, más de 1,8 veces en ocho años.
Sin embargo, el crecimiento del mercado de refrigerantes no sugiere que la industria se esté estancando. De hecho, el aumento de ventas y la expansión del mercado no excluyen la innovación. En cambio, este crecimiento a menudo impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías y enfoques. Un reciente esfuerzo de investigación liderado por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha generado una nueva comprensión científica que podría ayudar a lograr la refrigeración de estado sólido.
En los próximos segmentos, profundizaremos en la comprensión de este fenómeno.
El paradigma transformador de la refrigeración de estado sólido
El principal logro del equipo de investigadores ha sido cerrar la brecha de conocimiento en la ciencia del movimiento de calor a escala atómica. A un nivel más funcional, el éxito de la investigación se basa en una comprensión más profunda de los materiales y dispositivos.
El material, en este caso, es una aleación magnética de memoria de forma de níquel-cobalto-manganeso-indio que puede deformarse y luego volver a su forma original al someterla a una transición de fase, ya sea aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético.
El dispositivo, por otro lado, comprende un conjunto de instrumentos de dispersión de neutrones que pueden examinar un material a escala atómica.
Cómo el material surgió como candidato óptimo para la refrigeración de estado sólido
El experimento mostró que aleación magnética de memoria de forma de níquel-cobalto-manganeso-indio podía ser llevada a través de una transición de fase mediante el aumento de la temperatura o la aplicación de un campo magnético.
Cuando se somete a un campo magnético, el material experimenta una transición de fase estructural y magnética: absorbe y libera calor, en términos más simples. Este efecto es fundamental para el fenómeno de la refrigeración de estado sólido. En otras palabras, la refrigeración de estado sólido aprovecha este efecto para proporcionar refrigeración.
En este mecanismo de enfriamiento, el material alcanza lo que se conoce como estado vítreo ferroico, lo que mejora su capacidad de almacenar y liberar calor.
Al detallar la ciencia detrás del experimento, Michael Manley, investigador senior del grupo de dispersión de neutrones y rayos X en ORNL, dijo lo siguiente:
“La dispersión de neutrones muestra que la capacidad de enfriamiento de la aleación magnética de memoria de forma se triplica por el calor contenido en estos modos híbridos magnon‑fonón locales que se forman debido al desorden en el sistema. Este hallazgo revela un camino para crear mejores materiales para aplicaciones de refrigeración de estado sólido que satisfagan necesidades sociales.”
Los modos híbridos magnon‑fonón
Los magnones y fonones también se conocen como ondas de espín y vibraciones. Existen como una pareja en el material en formas de danza sincronizada en pequeñas regiones distribuidas a lo largo de la disposición desordenada de átomos. El patrón de comportamiento regional de los modos híbridos magnon‑fonón tiene implicaciones cruciales para las propiedades térmicas del material.
Al explicar las implicaciones de estos modos híbridos y sus movimientos, Manley añadió:
“Las interacciones a largo y corto alcance se manifiestan como vibraciones localizadas y ondas de espín, lo que significa que quedan atrapadas en pequeñas regiones. Esto es importante porque estos estados vibracionales localizados adicionales almacenan calor. Cambiar el campo magnético desencadena otra transición de fase en la que este calor se libera.”
En conjunto, el experimento abrió una nueva frontera en la investigación de la refrigeración de estado sólido al demostrar que el control adecuado de las funciones de la aleación de memoria de forma magnética puede convertirla en una esponja de calor y prepararla para una refrigeración de estado sólido eficiente sin necesidad de refrigerantes tradicionales ni componentes mecánicos.
Aunque esta investigación es sin duda un avance, siempre se debe recordar que la refrigeración de estado sólido no es un fenómeno reciente. Teóricamente, el fenómeno existe desde 1834, cuando el físico francés Jean Charles Athanase Peltier descubrió el efecto Peltier.
En el siguiente segmento, analizaremos brevemente el fenómeno del efecto Peltier y los refrigeradores termoeléctricos que aprovechan el efecto Peltier.
El origen de la refrigeración de estado sólido y los refrigeradores termoeléctricos
Científicamente, el efecto Peltier se define como el “fenómeno en el cual un conductor, mantenido a una temperatura constante y con una corriente eléctrica fluyendo a través de él, experimenta la generación de una corriente térmica. Esta corriente térmica ayuda a transportar el calor producido por la corriente eléctrica.”
En otras palabras, el efecto Peltier surge de una situación donde la corriente eléctrica que fluye a través de la unión que conecta dos materiales emite o absorbe calor por unidad de tiempo en la unión para equilibrar la diferencia en el potencial químico de los dos materiales. T
El efecto Peltier ayuda a crear una nevera electrónica conocida como refrigerador Peltier. Los dispositivos Peltier también se conocen como refrigeradores termoeléctricos que consisten en una matriz de materiales semiconductores, compuestos de telurio de bismuto, conectados en serie y situados entre dos placas cerámicas.
Con corriente continua pasando a través de un TEC, los electrones en el material semiconductor se mueven del lado caliente al lado frío, transportando calor consigo y provocando que un lado del dispositivo se enfríe mientras el otro se caliente.
La razón por la que la comunidad científica sigue deliberando sobre el fenómeno de la refrigeración de estado sólido y está interesada en explorarlo es porque tiene muchos beneficios y aplicaciones en la vida real. Analizaremos estas ventajas y aplicaciones en los próximos segmentos.
Los numerosos beneficios y aplicaciones de la refrigeración de estado sólido
La refrigeración de estado sólido podría ser más eficiente energéticamente que los sistemas de refrigeración convencionales, ya que son capaces de convertir un mayor porcentaje de energía eléctrica en potencia de enfriamiento.
También son más compatibles para su integración con fuentes de energía renovable, incluidos los paneles solares. Además de tener una huella de carbono baja, la refrigeración de estado sólido no contribuye al agotamiento de la capa de ozono y, por lo tanto, es más respetuosa con el medio ambiente que los refrigerantes u otras tecnologías de enfriamiento basadas en fluidos.
La refrigeración de estado sólido también obtiene altas puntuaciones en los aspectos de fiabilidad y durabilidad. Dado que no consta de piezas móviles ni fluidos circulantes, experimenta menos fallas mecánicas y requiere menos mantenimiento. Muchos electrodomésticos de consumo pueden aprovechar la tecnología de refrigeración de estado sólido.
Algunos ejemplos de electrodomésticos incluyen refrigeradores, aires acondicionados, o enfriadores de vino. Existe una creciente deliberación sobre cómo usar la refrigeración de estado sólido en vehículos eléctricos e híbridos para enfriar baterías y otros componentes. Podría contribuir a un mejor rendimiento y mayor autonomía.
Un mecanismo de refrigeración de estado sólido también se considera adecuado como sistema alternativo de enfriamiento de cabina en vehículos modernos. Un estudio científico investigó la viabilidad de un sistema de aire acondicionado automotriz que utilizara refrigeración de estado sólido. Los resultados mostraron que la aplicación de dispositivos de enfriamiento TE pequeños y flexibles ofrecía más posibilidades para un sistema de aire acondicionado automotriz eficiente.
El estudio también investigó los perfiles de velocidad y temperatura del enfriamiento TE localizado diseñado para mejorar la comodidad humana proporcionando un flujo de aire uniforme en la cabina. Se obtuvo una mejora estimada de casi un 9% cuando esta disposición se comparó con el sistema de refrigeración convencional en cuanto a la comodidad humana.
Muchos beneficios y aplicaciones de la refrigeración de estado sólido han inspirado a las empresas a invertir investigación y recursos en técnicas y métodos.
En los segmentos siguientes, discutiremos algunas de esas empresas y sus soluciones específicas.
#1. CUI Devices
CUI Devices es conocida por su gama de dispositivos Peltier. Ofrece un portafolio de módulos Peltier de una sola etapa, módulos Peltier de múltiples etapas, y unidades de enfriamiento Peltier.
La unidad de enfriamiento Peltier CPM-2F de 6.0 Amp, por ejemplo, viene con una estructura de sellado mejorada para resistencia al agua y absorción de estrés térmico. Puede instalarse fácilmente y se adapta idealmente a las necesidades de aplicaciones industriales de alta densidad y alta potencia, así como a la refrigeración.
La empresa también tiene dos variantes más, CPM-2C y CPM-2H, que ofrecen servicios óptimos en escalas de 7 y 8.5 Amp, respectivamente.
Si observamos el perfil general de productos de CUI Devices en este sector, incluye una gama de módulos Peltier de una y múltiples etapas, así como unidades de enfriamiento Peltier, con tamaños de 3.4 a 70 mm y perfiles tan bajos como 1.95 mm y clasificaciones de corriente de 0.7 a 20 A y diferencias de temperatura de 70 hasta 105°C. La empresa se enorgullece de la mayor fiabilidad, el rendimiento superior y la vida útil de ciclo mejorada de sus productos.
CUI Devices, con sede en Tualatin, Oregon, Estados Unidos, es un fabricante de componentes electrónicos que ofrece soluciones de interconexión, audio, gestión térmica, movimiento y sensores. En octubre de 2023, el grupo de gestión térmica de CUI Devices lanzó un servicio de diseño térmico para identificar posibles puntos críticos, optimizar el flujo de aire y diseñar sistemas de enfriamiento efectivos adaptados a las necesidades específicas de los clientes.
#2. Coherent Corp
Los sistemas de refrigeración de Coherent Corp (COHR ) ofrecen una gama de soluciones industriales y de telecomunicaciones, incluidos formatos estándar y personalizados, todos construidos alrededor de un “Núcleo” común basado en dispositivos TEC eficientes. Además de los dispositivos TEC, este núcleo también integra disipadores de calor/frío, termistores/RTD y arneses de cableado.
Uno de los productos de tecnología de refrigeración de estado sólido más conocidos de Coherent incluye los sistemas de refrigeración aire‑a‑aire Climatherm (CTA). Basado en la tecnología de refrigeración TEC de estado sólido de la empresa, la solución protege la electrónica del cliente de condiciones extremas con hasta 250 W de potencia de enfriamiento en un paquete ligero y compacto.
Los refrigeradores del producto presentan un diseño compacto y ligero que cumple con la normativa RoHS de la UE y ofrecen una transferencia de calor altamente eficiente. Las aplicaciones típicas incluyen el enfriamiento de recintos electrónicos, almacenamiento de alimentos y bebidas, refrigeración de gabinetes de baterías y equipos de laboratorio.
COHR Gráfico de precios
Según los últimos registros financieros disponibles, la empresa registró un ingreso anual de US$5.16 mil millones para el año que finalizó el 30 de junio de 2023. Fue un aumento significativo respecto al récord del año anterior de US$3.317 mil millones para el año que terminó el 30 de junio de 2022.
El futuro de la refrigeración de estado sólido
Para decirlo suavemente, el futuro de la refrigeración de estado sólido se muestra indudablemente prometedor. Las comunidades científicas y tecnológicas comerciales de todo el mundo han reconocido su potencial como una solución que podría enfrentar de manera directa los desafíos del calentamiento global y el cambio climático.
Además de los nombres experimentados y consolidados, han surgido empresas innovadoras como Phononic. Su innovación en refrigeración, refrigeración de estado sólido y HVAC utiliza solo agua mezclada con CO₂ naturalmente disponible, con un POT (Potencial de Calentamiento Global) de solo 1, ofreciendo la calificación de POT más baja de la industria. Aquí, POT significa Potencial de Calentamiento Global.
Phononic cree que su diseño de estado sólido tiene el potencial de representar una nueva y emocionante forma de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, apoyar los objetivos climáticos de la ONU y satisfacer las exigentes necesidades de rendimiento del mercado.
Sin embargo, existen algunos desafíos que la refrigeración de estado sólido deberá abordar para satisfacer eficientemente las necesidades térmicas en la electrónica en el futuro. Debe volverse asequible, ya que el costo de los materiales termoeléctricos podría ser notablemente más alto en comparación con los sistemas de refrigeración tradicionales. Los investigadores tendrán que trabajar de manera más agresiva y expedita en la exploración de materiales alternativos y procesos de fabricación más rentables para resolver este desafío.
Escalar la producción con la refrigeración de estado sólido como núcleo también enfrentará un desafío de eficiencia, ya que los materiales termoeléctricos aún están rezagados respecto a los sistemas tradicionales de compresión de vapor en ciertas aplicaciones. Los científicos deberán realizar pruebas más rigurosas para descubrir formas de mejorar la eficiencia de los materiales termoeléctricos.
Finalmente, los sistemas de refrigeración de estado sólido deberán mejorar sus perfiles de gestión térmica para disipar eficientemente el calor generado en el lado caliente del refrigerador termoeléctrico. Esto es crucial para mantener el rendimiento óptimo del sistema.
A nivel mundial, los investigadores han reconocido los beneficios de la refrigeración de estado sólido. Están investigando nuevos materiales y técnicas para mejorar el rendimiento. Con suerte, pronto veremos una mayor adopción de la refrigeración de estado sólido en casos de uso industriales y comerciales.
