La bomba de calor 'electrocalórica' podría transformar el aire acondicionado

Bruno I. Scollo

El uso de gases perjudiciales para el medio ambiente en aparatos de aire acondicionado y refrigeradores podría volverse redundante si un nuevo tipo de bomba de calor cumple su promesa. Un prototipo, descrito en un estudio publicado la semana pasada en Science, utiliza campos eléctricos y una cerámica especial en lugar de vaporizar alternativamente un fluido refrigerante y condensarlo con un compresor para calentar o enfriar aire.

La tecnología combina varias técnicas existentes y tiene un “rendimiento superlativo”, afirma Neil Mathur, científico de materiales de la Universidad de Cambridge, Reino Unido.

Emmanuel Defay, científico de materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo en Belvaux, y sus colaboradores construyeron su dispositivo experimental a partir de una cerámica con un fuerte efecto electrocalórico. Los materiales que exhiben este efecto se calientan cuando se exponen a campos eléctricos.

En un material electrocalórico, los átomos tienen una polarización eléctrica: un ligero desequilibrio en su distribución de electrones, lo que les da a estos átomos un polo "más" y un polo "menos".

Cuando el material se deja solo, la polarización de estos átomos gira continuamente en direcciones aleatorias. Pero cuando el material se expone a un campo eléctrico, todos los polos electrostáticos se alinean de repente, como un cabello peinado en una dirección. Esta transición del desorden al orden significa que la entropía de los electrones (la forma en que los físicos miden el desorden) cae repentinamente, explica Defay.

Pero las leyes de la termodinámica dicen que la entropía total de un sistema nunca puede disminuir, por lo que si cae en algún lugar debe aumentar en otro lugar. "La única posibilidad que tiene el material de deshacerse de este desorden extra es verterlo en la red" de su estructura cristalina, afirma. Ese desorden adicional significa que los propios átomos comienzan a vibrar más rápido, lo que resulta en un aumento de temperatura.

Luego, los investigadores eliminan el calor haciendo fluir un fluido entre placas de material electrocalórico, mientras mantienen encendido el campo eléctrico. El resultado es que la losa vuelve a la temperatura ambiente original, pero tiene una entropía de polarización más baja. Si los investigadores desconectan entonces el campo eléctrico, se produce el efecto contrario: las polarizaciones vuelven a ser caóticas y la entropía se derrama de la red atómica de la cerámica, llevándose consigo el calor. El resultado es que la celosía se vuelve más fría que la temperatura ambiente y puede enfriar el fluido bombeado entre las losas. Luego el ciclo comienza de nuevo.

En un refrigerador o aire acondicionado, el calor del fluido calentado se dispersaría en el ambiente, mientras que el fluido enfriado serviría para mantener frío el interior o la habitación. Para la calefacción, la bomba de calor enfriaría el ambiente externo, extrayendo calor del mismo para bombearlo al edificio.

Defay dice que aunque la tecnología aún no está lista para ser comercializada, con mayores mejoras, la eficiencia de la bomba de calor electrocalórica de su equipo podría ser competitiva con la de las bombas de calor existentes. Se trata de una norma difícil de cumplir, porque las bombas de calor basadas en compresores ya son muy eficientes: cuando se utilizan para calentar edificios, por ejemplo, pueden producir tres o más veces más calor que los calefactores, con la misma cantidad de consumo de electricidad. Pero a diferencia de una bomba de calor estándar, una bomba de calor electrocalórica no necesitaría refrigerantes como hidrofluorocarbonos o amoníaco, que son potencialmente perjudiciales para el medio ambiente. Y como elimina la necesidad de un compresor, podría caber en un dispositivo más pequeño y sencillo, añade Defay.

Fuente: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03595-1