El Enfriamiento Radiativo Combate el Cambio Climático Utilizando el Espacio como Sumidero de Calor

Los entornos urbanos se están volviendo cada vez más extensos y densos, lo que resulta en más concreto y pavimento que nunca. El problema con eso es la cantidad de calor absorbido por edificios y carreteras. Las áreas circundantes se calientan, los sistemas de control climático deben trabajar más y las emisiones de gases de efecto invernadero se disparan. Con eso en mente, un equipo de investigadores de la Universidad de Maryland ha ideado una solución simple pero eficaz. Se trata de un material recientemente desarrollado llamado ‘cooling glass’, que puede ayudar a mitigar este problema creciente y su efecto en el cambio climático mediante el enfriamiento radiativo.

El Avance del Enfriamiento Radiativo

Combatir el cambio climático no solo consiste en encontrar fuentes de energía limpia. También se trata de utilizar eficientemente la electricidad que ya producimos. En este caso, el cooling glass es un avance que aprovecha el Efecto Albedo y el enfriamiento radiativo para impedir esencialmente que la energía térmica del Sol quede atrapada en los materiales típicos de construcción, reflejándola de nuevo al vacío del Espacio, un sumidero de calor ilimitado que se sitúa a unos -270 ºC.

En su artículo de investigación, el equipo afirma que,

“…desarrolló un compuesto fotónico aleatorio que consiste en una estructura de vidrio microporoso que presenta emisión selectiva de LWIR [radiación infrarroja de onda larga] junto con una reflectancia solar relativamente alta y partículas de óxido de aluminio que dispersan fuertemente la luz solar y evitan la densificación de la estructura porosa durante la fabricación.”

El producto resultante, o ‘cooling glass’, se dice que funciona bien en una variedad de condiciones, lo que, junto con un proceso de fabricación relativamente sencillo, podría hacerlo viable para aplicaciones a gran escala en entornos urbanos.

Fuente: www.cera.cool

En cuanto al rendimiento, el equipo indica que,

“Este recubrimiento de vidrio microporoso permite una disminución de temperatura de ~3.5° y 4°C incluso bajo condiciones de alta humedad (hasta 80%) durante el mediodía y la noche, respectivamente.”

Al hacerlo, el documento indica que un edificio que utilice cooling glass tiene el potencial de reducir sus emisiones de carbono hasta en un 10 % anual. Cuando se escala a lo largo de paisajes urbanos, esto es significativo.

Aunque la idea de aprovechar el enfriamiento radiativo para combatir el cambio climático no es nueva, es el rendimiento y la potencial escalabilidad de este nuevo producto lo que lo hace particularmente interesante.

¿Qué es un ‘Sumidero de Calor’?

Para quienes se pregunten, un sumidero de calor es un dispositivo o sustancia que absorbe y disipa el calor de otro objeto mediante contacto térmico (ya sea directo o radiante). Las variantes fabricadas por el hombre se usan comúnmente en electrónica y sistemas mecánicos para gestionar la temperatura y prevenir el sobrecalentamiento. En el caso del cooling glass, es a través de la radiación hacia el vacío del espacio que ocurre este vaciado térmico.

A continuación, una visión general de la ciencia detrás de los sumideros de calor:

Conducción térmica: El principio principal detrás de un sumidero de calor es la conducción térmica, un proceso físico donde el calor se transfiere a través de un material. Cuando un componente que genera calor (como una CPU en una computadora) se calienta, transfiere su calor al sumidero.

Material: Los sumideros de calor suelen estar hechos de materiales con alta conductividad térmica, como el aluminio o el cobre. Estos materiales transfieren eficazmente el calor lejos del componente y lo distribuyen sobre una área mayor.

Diseño y Área Superficial: Un aspecto clave del diseño de un sumidero de calor es su área superficial. Muchos sumideros poseen aletas u otras estructuras para aumentar su superficie. Esto permite que más aire entre en contacto con el sumidero, mejorando la disipación de calor.

Convección: El aire o líquido que se mueve sobre la superficie del sumidero facilita el enfriamiento por convección. En el enfriamiento pasivo, el flujo natural de aire disipa el calor, mientras que en sistemas activos se usan ventiladores o bombas para aumentar el flujo de aire o líquido, respectivamente, intensificando el efecto de enfriamiento.

Radiación: Los sumideros de calor también disipan el calor mediante radiación. El calor absorbido por el sumidero se emite como radiación infrarroja, lo que ayuda adicionalmente a enfriar el dispositivo.

La efectividad de un sumidero de calor depende de varios factores, incluyendo la conductividad térmica del material, el diseño (especialmente el área superficial), la temperatura ambiente y la velocidad de flujo de aire o líquido sobre el sumidero. Al gestionar eficientemente la energía térmica, los sumideros de calor juegan un papel crucial en la fiabilidad y longevidad de los sistemas electrónicos y mecánicos.

¿Qué es el ‘Enfriamiento Radiativo’?

Mientras tanto, el enfriamiento radiativo es un proceso natural donde los objetos liberan calor en forma de radiación infrarroja. Este proceso ya juega un papel en la naturaleza con el balance energético de la Tierra y tiene importantes aplicaciones en diversas tecnologías.

Una mirada más profunda a la ciencia detrás del enfriamiento radiativo:

Radiación infrarroja: Todos los objetos emiten energía en forma de radiación electromagnética, cuya intensidad depende de su temperatura. A las temperaturas típicas de la superficie terrestre, esta radiación se encuentra mayormente en el espectro infrarrojo. El enfriamiento radiativo ocurre cuando un objeto, como la superficie terrestre o un edificio, emite más radiación infrarroja de la que absorbe.

Emisión al espacio: Uno de los aspectos clave del enfriamiento radiativo es la capacidad de ciertos materiales o superficies para emitir calor directamente al espacio. Esto es posible porque la atmósfera tiene ‘ventanas’ específicas que son transparentes a ciertas longitudes de onda de radiación infrarroja, permitiendo que esa energía pase y escape al espacio.

Enfriamiento diurno vs. nocturno: El enfriamiento radiativo es más efectivo por la noche, ya que durante el día la absorción de radiación solar tiende a compensar el efecto de enfriamiento. Por la noche, sin la entrada de energía solar, las superficies pueden enfriarse emitiendo radiación infrarroja de manera más eficaz.

Relación con el efecto albedo: El efecto albedo se refiere principalmente a la reflexión de la luz solar visible, mientras que el enfriamiento radiativo trata de la emisión de radiación infrarroja. Sin embargo, están relacionados en términos de balance energético. Una superficie con alto albedo refleja más radiación solar, absorbiendo menos calor durante el día. Esto puede potenciar el enfriamiento radiativo por la noche, ya que hay menos calor absorbido que reemitir. Por el contrario, una superficie de bajo albedo se calienta más durante el día, pudiendo emitir más radiación infrarroja si posee alta emisividad.

Aplicaciones: El enfriamiento radiativo tiene aplicaciones prácticas en sistemas de enfriamiento pasivo, como en edificios y vehículos. También se está explorando para su uso en tecnologías sostenibles, como los paneles de enfriamiento discutidos aquí, que pueden reducir la dependencia del aire acondicionado alimentado por electricidad.

El enfriamiento radiativo es un proceso natural importante que ayuda a regular la temperatura mediante la emisión de radiación infrarroja. Aunque es distinto del efecto albedo, que implica la reflexión de la luz solar, ambos contribuyen a la dinámica térmica de las superficies y juegan roles críticos tanto en sistemas ambientales naturales como ingenierizados.

Empresas del Sector que Abordan el Cambio Climático

Para quienes estén interesados en conocer qué compañías cotizadas están desarrollando activamente soluciones para combatir el cambio climático, consideren lo siguiente.

*Las cifras proporcionadas a continuación eran exactas al momento de escribir y pueden cambiar. Cualquier posible inversor debe verificar los métricos*

1. FuelCell Energy, Inc.

(FCEL )

FuelCell Energy es líder en el desarrollo y despliegue de tecnología de pilas de combustible. Se enfoca en diseñar, fabricar, operar y mantener plantas de energía de pilas de combustible altamente eficientes y limpias. Sus soluciones buscan reducir la dependencia de los combustibles fósiles y disminuir las emisiones de carbono, contribuyendo así a la lucha contra el cambio climático. Las pilas de combustible de la compañía proporcionan una combinación única de generación de energía limpia, fiable y eficiente, convirtiéndolas en una parte valiosa de la transición hacia energía sostenible.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

(BEP )

Brookfield Renewable Partners opera una de las plataformas de energía renovable puras más grandes cotizadas públicamente del mundo. Su portafolio incluye instalaciones hidroeléctricas, eólicas, solares y de almacenamiento en América del Norte, América del Sur, Europa y Asia. Con un fuerte compromiso con la sostenibilidad, Brookfield Renewable Partners se centra en la creación de valor a largo plazo mediante activos de energía renovable, desempeñando un papel significativo en el cambio global hacia fuentes de energía limpias y renovables para combatir el cambio climático.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

(CHPT )

ChargePoint Holdings está a la vanguardia de la revolución de vehículos eléctricos, operando una de las redes de carga de VE más extensas y abiertas. La compañía ofrece soluciones de carga innovadoras y accesibles en múltiples sectores, incluidos residencial, comercial y espacios públicos. Al facilitar la adopción de vehículos eléctricos, ChargePoint Holdings contribuye directamente a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y al alejamiento de la dependencia de combustibles fósiles, marcando un paso crucial en la lucha contra el cambio climático.

Empresas Notables que Aprovechan el Enfriamiento Radiativo

Aunque no cotizan en bolsa, existe una startup particularmente destacada que ya está trabajando para implementar y escalar la ciencia detrás de este cooling glass. De hecho, fue fundada por los mismos investigadores detrás de este avance. Esta compañía es Ceracool.

Ceracool ha desarrollado una ‘pintura de enfriamiento radiativo’, que funciona bajo el mismo concepto del cooling glass. La empresa promociona su pintura de enfriamiento radiativo ofreciendo “…aire acondicionado gratuito al reflejar más del 95 % de la irradiancia solar y simultáneamente emitir calor hacia las temperaturas cercanas al cero absoluto del espacio profundo mediante la ventana de transparencia atmosférica.” Lo que hace que este producto sea particularmente interesante es que puede aplicarse fácilmente a superficies propensas a la acumulación térmica (techos, carreteras, etc.) mediante pulverización o cepillado.

Otro ejemplo de una empresa privada que innova con tecnología de enfriamiento radiativo es SkyCool Systems.

SkyCool Systems es una compañía de energía limpia que desarrolla soluciones avanzadas de enfriamiento que aprovechan el enfriamiento radiativo. Su enfoque implica un material de enfriamiento radiativo integrado en un sistema de paneles diseñado para mejorar significativamente la eficiencia de los sistemas de enfriamiento basados en compresión de vapor. Al igual que Ceracool, el trabajo pionero de SkyCool Systems en este campo representa un paso prometedor hacia la solución de los desafíos de enfriamiento del mundo, ofreciendo tanto beneficios ambientales como ahorros en costos energéticos.

Reflexiones Finales

Al final del día, los esfuerzos relacionados con el cambio climático deben ir más allá de simplemente aprovechar fuentes de energía sostenibles. Si bien este es obviamente un enfoque vital e importante, es esencialmente como intentar equilibrar con una sola mano. En cambio, necesitamos soluciones que también aborden las ineficiencias en nuestro consumo de energía, que es precisamente de lo que tratan los productos de enfriamiento radiativo. En una iluminadora charla TED de Aaswath Raman, se abordó la importancia de enfrentar un posible bucle de retroalimentación resultante de nuestras necesidades de enfriamiento, y cómo el enfriamiento radiativo podría ayudar.

Combinado con otros avances como células fotovoltaicas micrométricas de contacto trasero, será interesante observar los beneficios resultantes de las iniciativas que están llevando a cabo empresas como Ceracool en los próximos años.